Многопоршневой двигатель


Одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания (тор блатова)

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель (RU, пат. № 2268368 F01С 1/077, 2006), с блоком тороидальных цилиндров и блоком тороидальных поршней, имеющих возможность совершать возвратно-поступательное движение внутри цилиндров и вращаться в одну сторону с блоком цилиндров от пары некруглых шестерен. К недостаткам двигателя можно отнести вращение цилиндрового блока, кроме вращения поршней, наличие обгонной муфты, использование некруглых шестерен в узле синхронизации движения цилиндров и поршней и резкие изменения угловых скоростей шестерен и соответственно инерционных нагрузок в приводимых ими устройствах.

Известен роторный двигатель (RU, пат. № 2042037 6 F02В 53/00, 1995), с кольцеобразным тороидальным цилиндром, разделенным подпружиненными заслонками с поворотными рычагами управления, дисковым ротором с поршнями и каналами подвода рабочего тела к средствам его впрыска на днищах поршней. Рабочим телом могут быть пар, сжатый воздух, продукты сгорания топлива. При всей простоте кинематической схемы двигателя в конструкции имеется ряд существенных недостатков, ограничивающих область его применения. Заслонки, пружины, рычаги с возвратно-поступательным движением и привод их от поршня требуют определенного пространства для своего размещения и только по этому уже ограничивают возможности по увеличению количества поршней на одном роторе. Кроме того, рост количества этих механизмов снижает надежность работы двигателя. Для повышения крутящего момента на валу двигателя и наращивании его мощности необходима установка дополнительных роторов. Двигатель имеет сложную систему подвода рабочего тела в рабочую камеру через движущиеся элементы конструкции.

Наиболее близкой к изобретению по устройству и кинематической схеме является объемная машина (RU, пат. № 2084641 6 F01С 9/00, F03С 4/00, 1997) при работе ее в режиме 4-тактного двигателя - прототип. Машина содержит цилиндрический корпус с крышками, с всасывающими и выхлопными окнами, соосные втулки с лопастными поршнями, установленные внутри корпуса с образованием рабочих камер, механизм синхронизации движения соосных втулок с поршнями, содержащий тяги, сателлит с диаметрально расположенными кривошипами, водило, жестко соединенное с выходным валом, и солнечное колесо, соединенное с крышкой. Механизм синхронизации размещен в полости втулок.

Недостатком прототипа является большая ширина и соответственно внешняя поверхность соосных втулок, в результате чего, при рабочем ходе, в полость рабочих втулок, через их наружные стенки, не имеющих охлаждения, проникает значительный тепловой поток, способный привести к нарушению теплового режима работы механизма синхронизации и его смазки.

Недостатком прототипа является длинный периметр уплотнения прямоугольных поршней и торцев соосных втулок. Уплотнение прямоугольных поршней в двигателях внутреннего сгорания более сложно и менее надежно, чем уплотнение круглых поршней обычными компрессионными кольцами.

Недостатком прототипа является то, что соосные втулки с лопастными поршнями, приводимые в движение диаметрально расположенными своими кривошипами через тяги, имеют колебательные движения относительно друг друга. При вращении вала двигателя они имеют разные ускорения при прохождении концов кривошипов через линии радиуса цилиндрического корпуса (один ближе к оси, другой - к втулке, что образует разные и противоположно направленные окружные скорости в точках соединения с тягами). Это вызывает ни чем не уравновешенные, инерционные колебательные нагрузки на движущиеся детали механизмов.

Недостатком прототипа является соединение солнечного колеса с неподвижной крышкой цилиндрического корпуса через неподвижный вал, соосный с выходным, что не позволяет сделать двухсторонний выход выходного вала. Это накладывает определенные ограничения на компановку и расположение внешних агрегатов, необходимых для работы двигателя.

В прототипе не определены базовые конструктивные элементы и их параметры для модификации мощностных характеристик двигателя на стадии его проектирования.

Предлагаемым изобретением решаются задачи:

повышения надежности работы двигателя, уменьшения числа механизмов синхронизации и, соответственно, поперечных габаритов двигателя, устройства двухстороннего выхода выходного вала, выделения базовых конструктивных элементов двигателя для модификации мощности и вращающего момента на выходном валу двигателя при его проектировании.

Поставленные задачи решаются тем, что одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания имеет тороидальный круговой цилиндр с окнами всасывания и выхлопа с охлаждаемой гильзой и два плавающих в ней кинематически связанных поршневых блока с образованием рабочих камер. Поршни представляют собой сегменты тора и уплотнены компрессионными кольцами, показавшими свою надежность в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Движения поршневых блоков выводятся в картер двигателя для связи с маховиком и механизмами синхронизации тонкими соединительными кольцами сквозь щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, что значительно снижает тепловой поток из рабочих камер в полость картера. Ведомый поршневой блок с помощью зубчатой полумуфты непосредственно соединен с маховиком двигателя и вращается с ним равномерно, что исключает необходимость в одном из диаметрально расположенных кривошипов прототипа. Соответственно упрощается и водило - в нем исключается один из двух выходов оси сателлита к кривошипам и стенка, содержащая этот выход. Функция водила возлагается на маховик, путем размещения в нем оставшейся оси кривошипа, что дополнительно позволяет сместить неподвижное зубчатое колесо (солнечное колесо) к стенке корпуса двигателя и соединить его непосредственно, без вала, с корпусом. Это открывает возможность для создания конструкции корпуса двигателя с двухсторонним выходом выходного вала.

Для изменения величины мощности и крутящего момента на выходном валу двигателя при его разработке или модификации задаются базовые характеристики двух элементов: число поршней в поршневом блоке - n; передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо - сателлит i=Z2 /Z1, которое должно быть целым и четным, где Z 1 - число зубьев сателлита, Z2 - число зубьев неподвижного зубчатого колеса.

Эти параметры определяют следующие характеристики двигателя: число групп окон всасывания - выхлопа WG=i/2; число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=i/2; число рабочих ходов за один оборот выходного вала двигателя К1=(i/2)*n.

Таким образом одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий дискообразный охлаждаемый корпус, с боковыми крышками, с тороидальным круговым цилиндром с окнами всасывания и выхлопа, двумя блоками поршней, размещенных в цилиндре с образованием рабочих камер и возможностью вращения и колебания, кинематически связанных между собой посредством механизма синхронизации, включающего шатунно-кривошипные механизмы с сателлитами и неподвижным зубчатым колесом, непосредственно закрепленным на корпусе двигателя, вал двигателя имеет двухсторонний выход из корпуса двигателя, отличается тем, что окна выхлопа, имеющие форму продольных щелей в стенке цилиндра, на начальном участке имеют увеличенную площадь, ведомый и ведущий поршневые блоки выполнены плавающими в цилиндре без подшипниковых опор на вал двигателя или его корпус, поршни, круглые в своем поперечном сечении и уплотненные компрессионными кольцами, соединены в поршневые блоки с помощью тонких соединительных колец, которые выведены в картер двигателя через щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра и боковой поверхностью поршней, ведомый поршневой блок прямо соединен с маховиком своим соединительным кольцом через зубчатую полумуфту с бочкообразным зубом и вращается с ним равномерно, ведущий блок поршней через свое соединительное кольцо и шатуны связан со штырями кривошипов и совершает вращательно-колебательное движение, шатунно-кривошипные механизмы синхронизации равномерно расположены на орбите своего движения в картере двигателя, симметрично относительно оси выходного вала, а движения их элементов оппозитны, валы кривошипов, соединенные с сателлитами, проходят сквозь отверстия в маховике, связанном с выходным валом.

Работа двигателя происходит в режиме 4-тактного цикла в соответствии с базовыми характеристиками: n - число поршней в поршневом блоке, i - передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо - сателлит, а модификации двигателя различаются: числом рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS =i/2, числом рабочих ходов, происходящих за один оборот выходного вала K1=(i/2)*n, числом групп окон всасывания - выхлопа WG=i/2.

Иллюстрации. На Фиг.1 изображен вид сбоку на двигатель, его детали и механизмы. На Фиг.2 показан разрез А-А на Фиг.1. На Фиг.3 изображен вид сбоку на ведомый поршневой блок. На Фиг.4 изображен вид сбоку на ведущий поршневой блок. На Фиг.5 схематически показаны положения двух взаимодействующих поршней 5 и 8 из ведомого и ведущего поршневых блоков на конец каждого такта 4-тактного цикла работы двигателя при частичном мультицикле.

На Фиг.6 представлен график в координатах t-0-ω изменения угловых скоростей (ω 1) ведомого и (ω 2) ведущего поршневых блоков во времени (t) за один 4-тактный цикл работы рабочей камеры двигателя. На Фиг.7 показана схема звеньев замыкания силовой цепи ведомого и ведущего поршневых блоков при рабочем ходе. На Фиг.8 показана схема расположения поршней и окон всасывания - выхлопа 4-х поршневых блоков в цилиндре на момент зажигания рабочей смеси при полном мультицикле.

В состав двигателя входят следующие элементы:

дискообразный охлаждаемый корпус с левой литой частью 1 и правой литой частью 2, с каналами охлаждения, с окнами всасывания и выхлопа, крышками 20, 21 подшипников.

Тороидальный круговой цилиндр с тороидальной внутренней поверхностью, состоящий из двух частей 3 и 4, с группами окон 25 и 26 выхлопа и всасывания, совпадающими с аналогичными отверстиями в корпусе двигателя, с плоской щелью с внутренней стороны гильзы цилиндра для выхода соединительных колец 6 и 9 блоков поршней в картер двигателя 31.

Два поршневых блока, ведомого и ведущего, поршни 5 и 8 которых, круглые в поперечном сечении, связаны в блоки с помощью соединительных колец 6 и 9 с проушинами и поршневых пальцев 7 и 10, имеют гибкую связь с валом двигателя и связанно плавают в тороидальном цилиндре.

Поршни представляют собой сегменты тора, по боковой поверхности совпадающие с поверхностью торообразного цилиндра. Головки поршней 5 и 8 имеют сферические выемки для образования камер сгорания рабочей смеси, круглые компрессионные кольца 23, а с противоположной стороны, у юбок поршней, установлены маслосъемные кольца 24.

Соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра, и проушины для соединения их с помощью поршневых пальцев 7 и 10 с поршнями. Соединительные кольца также воспринимают центробежные силы, действующие на поршни при их вращении в цилиндре, уменьшая износ трущихся поверхностей поршней и цилиндра.

Для обеспечения некоторой свободы и самоустановки поршней при движении их в цилиндре они имеют возможность поперечного перемещения с пальцами 7 и 10 в проушинах соединительных колец. Кольцо ведущего поршневого блока на боковой поверхности имеет оси 11 для соединения с головками шатунов.

Динамические рабочие камеры 22. Взаимодействующие элементы двигателя - головки поршней 5 и 8, из ведомого и ведущего блоков поршней со встречными сферическими выемками на торцах и внутренние поверхности частей 3, 4 цилиндра образуют динамические, перемещающиеся по кругу рабочие камеры, в которых происходят рабочие процессы двигателя.

Орбитальные шатунно-кривошипные механизмы с шатунами 12, кривошипами 13 с валами, проходящими сквозь маховик, и соединенными с ними сателлитами 16 с числом зубьев Z1. Одна головка шатуна с помощью оси 11 связана с соединительным кольцом 9 ведущего блока поршней, а другая - со штырем 14 кривошипа 13. Сателлиты 16 находятся в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом 17. Шатунно-кривошипные механизмы вращаются на орбите движения внутренних частей соединительных колец поршневых блоков и зубчатой полумуфты, находящихся в картере двигателя. Механизмы располагаются равномерно на орбите своего движения, симметрично относительно оси вала двигателя, а движения их элементов оппозитны, что позволяет уравновешивать центробежные силы от движения и колебаний их элементов. Количество механизмов может быть четным или не четным (но более одного) и зависит от мощности и габаритов двигателя. Шатунно-кривошипные механизмы являются механизмами синхронизации движения поршневых блоков в тороидальном круговом цилиндре для создания 4-тактного мультицикла работы двигателя. Эксцентриситет штырей кривошипов влияет на колебательный ход поршней ведущего поршневого блока и степень сжатия рабочей смеси.

Неподвижное зубчатое колеса 17 с числом зубьев Z2, закрепленное на левой части 1 корпуса двигателя.

Зубчатая полумуфта для передачи мощности двигателя на маховик 15 и выходной вал 18, состоящая из зубьев на внутренней части соединительного кольца 6 ведомого блока поршней и зубьев 29 бочкообразной формы на наружной части маховика 15. Такое соединение кольца ведомого блока с маховиком допускает небольшие боковые и радиальные биения и перекосы кольца, вызванные силовыми и тепловыми деформациями кольца при работе двигателя, кроме того, зубчатая муфта позволяет проводить начальную установку и регулировку поршневых блоков и шатунно-кривошипных механизмов.

Маховик 15, закрепленный на выходном валу 18.

Двухсторонний выходной вал 18, с подшипниками 19.

Картер 31.

Форсунки 27 подачи топлива.

Свечи 28 зажигания (при необходимости).

С помощью шатунно-кривошипных механизмов, сателлитов 16 и неподвижного зубчатого колеса 17 осуществляется синхронизация движения поршневых блоков таким образом, что в определенных, фиксированных участках тора в рабочих камерах выполняются такты 4-тактного цикла двигателя. 4-тактный цикл в рабочей камере выполняется за 2 оборота кривошипа. Положение этих участков и их количество могут изменяться в зависимости от числа поршней в поршневых блоках и передаточного отношения числа зубьев Z2 колеса к числу зубьев Z1 сателлита.

Для описания работы данного изобретения необходимо ввести понятия работы двигателя внутреннего сгорания в целом в режимах 4-тактного частичного или полного мультицикла.

Частичный мультицикл: 4-тактный цикл работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром (Фиг.1, Фиг.2) и базовыми характеристиками, например, n=4 и i=4. При данных характеристиках в рабочих камерах 22 цилиндра за каждые 2 оборота кривошипа одновременно выполняются по 2 пары одинаковых тактов 4-тактного цикла в последовательности: 2 рабочих хода и 2 всасывания, 2 выхлопа и 2 сжатия.

Конструкция двигателя, представленная на Фиг.1, Фиг.2, имеет следующие базовые и мощностные характеристики: число поршней в поршневых блоках n=4; передаточное отношение неподвижного зубчатого колеса и сателлита i=4; число групп окон всасывания - выхлопа WG=2; число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=2; число рабочих ходов за один оборот выходного вала K1=8; режим работы - частичный мультицикл.

Работа двигателя происходит следующим образом: при вращении вала 18 по часовой стрелке (Фиг.1) вращается маховик 15 (Фиг.1, Фиг.2) и соединенный с ним через кольцо 6 ведомый поршневой блок 5. Проходящий через маховик вал кривошипа 13 и сателлит 16 обкатываются по неподвижному зубчатому колесу 17, вызывая вращение кривошипа и колебания шатуна 12. Вращение маховика и колебания шатуна создают вращательно-колебательное движение соединительного кольца 9 ведущего поршневого блока 8 в цилиндре двигателя, выполняя совместно с равномерным вращением поршней 5 ведомого блока в рабочих камерах 22 четыре такта рабочего процесса двигателя за 2 оборота кривошипа. За каждый оборот кривошипа ведущий поршневой блок проходит два положения, в которых его угловая скорость равна угловой скорости ведомого блока поршней (точки пересечения прямой ω 1 и кривой ω 2 на Фиг.6). Первое положение, в котором объем рабочих камер 22 минимальный, будем называть задней мертвой точкой (ЗМТ), а второе положение, в котором объем рабочих камер максимальный - передней мертвой точкой (ПМТ). На Фиг.1 изображено положение поршневых блоков в середине тактов "Рабочий ход (Рх)" для верхней камеры 22 (по положению на Фиг.1) и диаметрально ей противоположной и "Всасывание (Вс)" для нижней камеры 22 и диаметрально ей противоположной. Скорость ведущего поршневого блока в этот момент имеет максимальное значение (кривые "Рх" и "Вс", Фиг.6). При дальнейшем расширении продуктов сгорания рабочей смеси происходит увеличение объема рабочих камер 22 и движение поршневых блоков по часовой стрелке с разными скоростями. По достижению штырем 14 кривошипа 13 ПМТ, а рабочими камерами своего максимального значения, в верхней рабочей камере и ей противоположной головками поршней 8 ведущего блока открываются отверстия 25 выхлопа в части увеличенного их сечения на начальном участке и начинается процесс выхлопа отработанных газов под давлением рабочей среды, в нижней камере и ей противоположной головками поршней 5 ведомого блока закрываются отверстия 26 всасывания и начинается процесс сжатия воздушной смеси. После прохождения штырем кривошипа ПМТ угловая скорость движения ведущего блока становится меньше угловой скорости ведомого блока (кривые "Вых" (такт "Выхлоп") и "Сж" (такт "Сжатие") Фиг.6). Головки поршней блоков начинают сближаться, выталкивая в двух рабочих камерах отработанные газы в выхлопные отверстия, а в двух других рабочих камерах сжимая воздушную смесь. За некоторое время до достижения ведущим блоком ЗМТ в камеры со сжатой воздушной смесью через форсунки 27 впрыскивается топливо, а в двух других камерах заканчивается процесс выхлопа отработанных газов и головками поршней 5 закрываются отверстия 25 выхлопа. Вблизи ЗМТ в двух рабочих камерах со сжатой воздушно-топливной смесью свечами 28 производится ее воспламенение и начинается такт "Рабочий ход", а в двух других рабочих камерах такт "Всасывание", далее термодинамический цикл работы двигателя повторяется. Таким образом, в режиме частичного мультицикла в двух рабочих камерах двигателя из 4 за 2 оборота кривошипа одновременно происходят такты "Рабочий ход", а в двух других камерах - такты "Всасывание" воздушной смеси. За следующие 2 оборота кривошипа в двух рабочих камерах из 4 одновременно происходят такты "Выхлоп" отработанных газов и в двух других камерах - такты "Сжатие" воздушной смеси. Не рабочие камеры 30, образуемые юбками поршней поршневых блоков, вентилируются через всасывающие, выхлопные или специальные отверстия.

Схема замыкания звеньев силовой цепи ведомого и ведущего поршневых блоков при рабочем ходе показана на Фиг.7. Силы F, действующие на поршень 5 через соединительное кольцо и маховик 15, действуют в виде силы F1 на центр 32, оси кривошипа 13, а силы F, действующие на поршень 8, через соединительное кольцо, шатун 12 (сила F2), штырь кривошипа создают вращательный момент на сателлите 16. В результате действия сил F1 и F2 сателлит обкатывается по часовой стрелке вокруг неподвижного зубчатого колеса 17, вращая в том же направлении маховик.

Смазка трущихся поверхностей соединительных колец поршневых блоков и поверхностей поршней с цилиндром может осуществляться маслом из картера двигателя под напором центробежных сил через специальные канавки в поверхностях трения соединительных колец и внутрипоршневые каналы.

Двигатель (Фиг.1, Фиг.2) может также работать в режиме полного мультицикла при изменении передаточного отношения i и соответственно WG .

Полный мультицикл: 4-тактный цикл работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром и базовыми характеристиками, например, n=4 и i=8. При подобных базовых характеристиках во всех 4 рабочих камерах 22 цилиндра за каждые два оборота кривошипа одновременно выполняются 4 одинаковые такта 4-тактного цикла в последовательности: 4 рабочих хода, 4 выхлопа, 4 всасывания, 4 сжатия.

При данном режиме работы двигатель будет иметь следующие характеристики:

- число поршней в поршневых блоках n=4;

- передаточное отношение зубчатого колеса и сателлита i=8;

- число групп окон всасывания - выхлопа WG =4;

- число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=4;

- число рабочих ходов за один оборот выходного вала K1=16.

На Фиг.8 показана схема расположения поршней 4-х поршневых блоков и окон всасывания - выхлопа в тороидальном цилиндре на момент зажигания рабочей смеси при полном мультицикле.

Представленные материалы показывают технические преимущества данного изобретения по сравнению с аналогами и прототипом, а также принципиально новые технические решения для создания и модернизации многопоршневых двигателей внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром.

bankpatentov.ru

Роторно-поршневой двигатель - это... Что такое Роторно-поршневой двигатель?

Роторно-поршневой двигатель в разрезе, с ротором, изготовленным в форме треугольника Рёло

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.[1]

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра[2]).

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый) Роторно-поршневой двигатель

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Преимущества и недостатки

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями

  • низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
  • Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
  1. Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
  2. К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.)
  • меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35-40 % число деталей

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, но с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

Недостатки:

  • Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
  • Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
  • Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.
  • Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
  • При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.

Применение

NSU Ro80.

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider.

Первый массовый (37 204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых[источник не указан 1238 дней]; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (Россия)[3].

Современное состояние

Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и при большей мощности, нагревается меньше.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

Авиационные двигатели

В начале 50-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В. Полякова, созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ.[4] Позднее, в 90-х годах, в Научно-техническом центре ВАЗ были созданы ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.

Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолетах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашел широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.

См. также

Примечания

Литература

  • Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия

Ссылки

РПД СССР/России

Авиационные РПД

dic.academic.ru

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению. В роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания энергия от сгорания топлива передается в круговое движение ротора-поршня относительно статора. Конструкция двигателя является шеститактным адиабатным двигателем с геометрическим разделением цикла на такты по секциям: на секцию с тактами всасывания-сжатия, на секцию с тактами сгорания-выхлопа и на секцию с тактами утилизации-выпуска. Ротор-поршень в каждой секции закреплен на общем валу двигателя со сдвигом по окружности вращения таким образом, что все такты в цикле происходят одновременно. В камере всасывания образован канал всасывания топливной смеси. Из камеры выпуска выполнен канал выпуска отработанных газов из двигателя. Общий вал роторов-поршней двигателя установлен на опорные подшипники. Секции состоят из цилиндрических статоров, по сторонам которых установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон боковые крышки. В каждой секции при вращении ротор-поршень взаимодействует с боковыми стенками перегородок и крышками в цилиндре статора и образует рабочие камеры. В камере сжатия топливной смеси в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа образован клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания. Из камеры выхлопа в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска выполнен канал впуска выхлопных газов в камеру утилизации. В статоре, около отверстия клапана подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания. Техническим результатом является повышение технико-экономических параметров двигателя. 9 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к устройствам, в которых энергия от сжигания топлива передается посредством совершения работы в механическое круговое движение поршневого элемента ротора-поршня относительно статора и предназначено для использования в качестве двигателя в различных отраслях промышленности.

Известны конструкции двигателей внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движения поршней прямоугольного сечения [1], где рабочее пространство образовано стенками статора и поверхностью поршней. Эти двигатели принадлежат к устройствам, в которых энергия от сжигания топлива передается посредством совершения работы в механическое круговое движение поршневого элемента ротора-поршня относительно статора и предназначено для использования в качестве двигателя в различных отраслях промышленности. Основным недостатком этих двигателей - возникновение значительных сил инерции от возвратно-поступательного движения масс, большие механические потери.

Ближайший прототип предлагаемого изобретения - патент США [2]. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора. Устройство двигателя является двенадцатитактным роторно-поршневым двигателем внутреннего сгорания, с шестью тактами в стадии сжатия роторами-поршнями в трех цилиндрах с последовательным уменьшением объема в них и шестью тактами в стадии сгорания роторами-поршнями в трех цилиндрах с последовательным увеличением объема в них. Между цилиндрами сжатия и цилиндрами сгорания расположена предварительная камера сгорания с установленной в ней свечой зажигания. Двигатель содержит главный вал вращения роторов-поршней и распределительный вал для вращения полумесячных клапанов. Валы соединены с помощью шестерен, угол поворота каждого полумесячного клапана связан с углом поворота сопряженного ротора-поршня.

Двигатель имеет существенные недостатки. Конструкция ротора-поршня и клапана по форме полумесяца не позволяет создать герметичное разделение камеры всасывания с камерой сжатия в одном цилиндре. Из камеры сжатия происходит утечка топливной смеси в камеру всасывания, поэтому процесс сжатия выполнен на трех цилиндрах. Конструкция ротора-поршня и клапана по форме полумесяца не позволяет создать герметичное разделение камер сгорания с камерой выхлопа. Из камеры сгорания происходит утечка газа в фазе горения в камеру выхлопа, поэтому процесс сгорания выполнен на трех цилиндрах. Это приводит к увеличению эффективной площади камеры сгорания и уменьшению КПД. Утечка газа в фазе горения делает невозможным подачу сжатой топливной смеси и воспламенения от свечи зажигания в камере сгорания. По этой причине между цилиндрами сжатия и цилиндрами сгорания создана предварительная камера сгорания с установленной в ней свечой зажигания. Все это привело к увеличению механических потерь в устройстве с четырьмя лишними цилиндрами, предварительной камерой сгорания и усложнения конструкции. Технико-экономические параметры ухудшились по сравнению с параметрами роторных двигателей внутреннего сгорания, например двигателем Ванкеля.

При поиске прототипа было выявлено, что эти типы двигателей не выпускаются и технические характеристики неизвестны. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является четырехтактный роторно-поршневой двигатель Ванкеля [3], который имеет камеры всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа и которые образуются в результате движения ротора-поршня относительно внутренней поверхности статора. Камеры всасывания, сжатия, сгорания и выхлопа располагаются каждая в своем секторе по окружности статора, и в каждой камере происходит периодически один и тот же такт. Двигатель Ванкеля принадлежит к устройствам, в которых энергия от сжигания топлива передается посредством совершения работы в механическое круговое движения поршневого элемента ротора-поршня относительно статора и предназначено для использования в качестве двигателя в различных отраслях промышленности.

В двигателе Ванкеля ротор-поршень треугольной формы скользит вершинами треугольника по внутренней сложной двухэпитрохоидной поверхности статора со значительным трением, что уменьшает механический КПД. Для уменьшения трения и предотвращения от задиров между трущимися поверхностями в топливо добавляют масло, которое в камере сгорания образует вредные примеси, которые выбрасываются из двигателя в атмосферу. Двигатель имеет большую поверхность и неблагоприятную, с позиции тепловых потерь, форму камеры сгорания, что является причиной относительно низкого индикаторного КПД и большого расхода топлива. Направление движения поверхности, от давления газа на ротор-поршень, не совпадает с касательной окружности вала вращения. Низкие пусковые качества, из-за неустойчивой работы двигателя на малых оборотах вала вращения, в результате продолжительного сообщения через камеру канала всасывания и канала выхлопа. Низкое количество тактов (циклов) на один оборот вращения двигателя [3].

Для характеристики технического решения шеститактного роторно-поршневого адиабатного двигателя внутреннего сгорания используются, в частности, следующие признаки: роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора, отличающийся тем, что конструкция двигателя является шеститактным роторно-поршневым адиабатным двигателем внутреннего сгорания с геометрическим разделением цикла на такты по секциям, на секцию с тактами всасывания-сжатия, на секцию с тактами сгорания-выхлопа, на секцию с тактами утилизации-выпуска, ротор-поршень в каждой секции закреплен на общем валу вращения двигателя со сдвигом по окружности вращения таким образом, что все такты в цикле происходят одновременно, в камере всасывания образован канал всасывания топливной смеси, а из камеры выпуска выполнен канал выпуска отработанных газов из двигателя, общий вал вращения роторов-поршней двигателя установлен на опорные подшипники, секции состоят из цилиндрических статоров, по сторонам которых установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в каждой секции при вращении ротор-поршень взаимодействует с боковыми стенками перегородок и крышками в цилиндре статора и образует рабочие камеры для своей секции, а в камере сжатия топливной смеси в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа образован клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, из камеры выхлопа в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска выполнен канал впуска выхлопных газов в камеру утилизации, в статоре, около отверстия клапана подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания.

В примере описания предлагаемого изобретения приведено одно из средств реализации предлагаемого изобретения. Признаки, которые излагаются в примере описания, кратко излагаются в следующем виде.

Двигатель состоит из секции всасывания-сжатия, из секции сгорания-выхлопа, из секции утилизации-выпуска. Роторы-поршни в секциях расположены на общем валу двигателя и вращаются синхронно с равными скоростями. Секции состоят из статоров, внутренняя поверхность которых выполнена эллипсоидной. Между статорами установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в которых установлены подшипники общего вала вращения двигателя.

В одном из полюсов эллипса каждого статора установлены роторы-поршни, закрепленные на общем валу двигателя. По радиусу дисков под усилием раздвижных пружин и эллипсоидных поверхностей статоров смещаются поршни, при вращении общего вала, образуя секции камеры всасывания-сжатия, секции камеры сгорания-выхлопа и секции камеры утилизации-выпуска одновременно.

В эллипсоиде статора секции всасывания-сжатия, в направлении малой оси эллипса, в камере всасывания расположен канал всасывания топливной смеси, а на противоположном конце малой оси эллипса, в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа, расположен клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания из камеры сжатия. В секции сгорания-выхлопа, на противоположной стороне от клапана подачи топливной смеси, в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска расположен канал впуска выхлопных газов из камеры выхлопа в камеру секции утилизации-выпуска. На противоположной стороне от канала впуска выхлопных газов в статоре секции утилизации-выпуска расположен канал выпуска отработанного газа из камеры выпуска.

В статоре секции сгорания-выхлопа, около клапана подачи топливной смеси, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания. В конструкции двигателя более холодная камера в секции всасывания-сжатия отделена от более горячей секции с камерами сгорания-выхлопа. Это снимает противоречие при создании адиабатного двигателя в одном цилиндре одновременно - более холодного для всасывания-сжатия и более горячего для тактов сгорания-выхлопа. При разделении на секции теплообмен между внешней средой и газом в секции сгорания-выхлопа по сравнению с изменением внутренней энергии рабочего тела будет мал, что и приближает двигатель к адиабатному циклу. В секции утилизации-выпуска используется энергия выхлопных газов из секции сгорания-выхлопа, что дает дополнительное увеличение мощности и момента вращения на валу двигателя. Для охлаждения дисков роторов-поршней, во всех секциях, в валу вращения выполнена магистраль подачи охлаждающей жидкости. В местах, где роторы-поршни соприкасаются с сопряженными поверхностями, выполнены уплотнители. В двигателе исключено одновременное перекрытие камеры канала всасывания топливной смеси и канала выпуска отработанного газа, поэтому вспышки и "хлопки" в этих каналах исключены. Траектория движения боковых поверхностей поршней при работе давления газа совпадает с касательной к окружности вала вращения и маховику, на которые передается вся энергия. Камера сгорания имеет клиновидную форму между эллипсоидом статора и диском ротора-поршня с малой площадью поверхности. Материалы - сталь, алюминиевые сплавы, медно-графитовые сплавы, материал с малой теплопроводностью (керамика) или материал с малой теплопроводностью для напыления на рабочие поверхности камер.

Для характеристики технических результатов в использовании шеститактного роторно-поршневого адиабатного двигателя внутреннего сгорания используются, в частности, следующие признаки повышения качества технико-экономических параметров двигателя путем:

- увеличения КПД, мощности и момента вращения на валу двигателя, за счет использования выхлопного газа в секции утилизации-выпуска;

- уменьшения тепловых потерь и потерь от выхлопного газа, за счет геометрического разделения цикла в конструкции на такты более холодной секции всасывания-сжатия и на такты в более горячей секции сгорания-выхлопа, а также на такты в секции утилизации-выпуска. При этом затраты энергии на сжатие в более холодной камере уменьшены, тепловые потери в более горячей камере секции сгорания-выхлопа также уменьшены. Уменьшены и потери в секции утилизации-выпуска;

- уменьшения тепловых потерь и увеличения КПД путем создания цикла, близкого к адиабатному, за счет изготовления секции сгорания-выхлопа и секции утилизации-выпуска из материала с малой теплопроводностью. Уменьшение шума от выхлопных газов за счет применения секции утилизации-выпуска;

- устойчивой работы двигателя на малых оборотах, отсутствие "хлопков" и обратных вспышек в канале всасывания, за счет отсутствия одновременного перекрытие камерой канала всасывания и канала выпуска отработанных газов.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора, отличающийся тем, что конструкция двигателя является шеститактным роторно-поршневым адиабатным двигателем внутреннего сгорания с геометрическим разделением цикла на такты по секциям, на секцию с тактами всасывания-сжатия, на секцию с тактами сгорания-выхлопа, на секцию с тактами утилизации-выпуска, ротор-поршень в каждой секции закреплен на общем валу вращения двигателя со сдвигом по окружности вращения таким образом, что все такты в цикле происходят одновременно, в камере всасывания образован канал всасывания топливной смеси, а из камеры выпуска выполнен канал выпуска отработанных газов из двигателя, общий вал вращения роторов-поршней двигателя установлен на опорные подшипники, секции состоят из цилиндрических статоров, по сторонам которых установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в каждой секции при вращении ротор-поршень взаимодействует с боковыми стенками перегородок и крышками в цилиндре статора и образует рабочие камеры для своей секции, а в камере сжатия топливной смеси в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа образован клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, из камеры выхлопа в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска выполнен канал впуска выхлопных газов в камеру утилизации, в статоре, около отверстия клапана подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания.

Частные признаки: конвертирование двигателя внутреннего сгорания в двигатель внешнего сгорания топлива производится путем установки горелки-форсунки над секцией сгорания-выхлопа, а выпускной канал соединяется трубопроводом через радиатор охлаждения с каналом всасывания, а в трубопровод и двигатель закачивается под давлением газ; создание многотопливного двигателя с автоматической регулировкой коэффициента сжатия, путем создания автомата регулировки на валу вращения между секцией всасывания-сжатия и секцией сгорания-выхлопа; дизельный вариант - установка вместо свечи зажигания форсунки высокого давления.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.

Фиг.1 и фиг.2. Общий вид двигателя.

Фиг.3. Двигатель фиг.2 разрез по "А-А".

Фиг.4 и фиг.5. Общий вид ротора-поршня в сборе.

Фиг.6. Двигатель фиг.2 разрез но "Б-Б".

Фиг.7. Двигатель фиг.1 разрез по "В-В".

Фиг.8. Двигатель фиг.1 разрез по "Г-Г".

Фиг.9. Двигатель фиг.1 разрез по "Д-Д".

Пример конкретного выполнения роторно-поршневого двигателя.

Общий вид двигателя внутреннего сгорания показан на фиг.1 и фиг.2, на которой расположены вал 1 вращения, болты 2 крепления, левая боковая крышка 3, секция 4 всасывания-сжатия, секция 5 сгорания-выхлопа, секция 6 утилизации-выпуска, правая боковая крышка 7, разделительная перегородка 8, разделительная перегородка 9, маховик 10 двигателя. На общем виде фиг.2 нанесены линия разреза по "А-А", линия разреза по "Б-Б", на фиг.1 - линия разреза "В-В", линия разреза "Г-Г", линия разреза "Д-Д".

На фиг.3 показан вид двигателя по линии разреза "А-А" фиг.2 секции 4 всасывания-сжатия, которая состоит из ротора-поршня 11, статора 12, правой боковой крышки 7 с подшипником скольжения 13, разделительной перегородки 8 с подшипником скольжения 14, уплотнителей 15, раздвижной пружины 16 и поршня 17.

В средней части фиг.3 показана секция 5 сгорания-выхлопа, которая состоит из ротора-поршня 18, статора 19, разделительной перегородки 9 с подшипником скольжения 20, разделительной перегородки 8, раздвижной пружины 21, поршня 22, уплотнителей 23.

На левой стороне фиг.3 показана секция 6 утилизации-выпуска, которая состоит из ротора-поршня 24, статора 25, поршня 26, левой боковой крышки 3 с подшипником скольжения 27, разделительной перегородки 9, уплотнителей 28, раздвижной пружины 29.

Следует отметить, что внутренняя поверхность статоров 12, 19, 25 выполнена в виде эллипсоида, в полюсах которых установлены роторы-поршни. Так в секции 4 центр ротора-поршня 11 совмещен с верхним полюсом эллипса статора 12 фиг.3 и вращается в нем по окружности. В секции 5 центр ротора-поршня 18 совмещен с нижним полюсом эллипса статора 19 фиг.3 и вращается в нем по окружности. В секции 6 центр ротора-поршня 24 совмещен с верхним полюсом эллипса статора 25 и вращается в нем по окружности. Все роторы-поршни 11, 18, 24 жестко закреплены на валу 1 и вращаются синхронно с одинаковой скоростью. Геометрический объем камеры сгорания (расширения) в секции 5 увеличен по сравнению с геометрическим объемом камеры сжатия в секции 4, путем увеличения размера большой оси эллипса в статоре 19. Это приводит к использованию давления газов в конце рабочего хода.

Обеспечение равномерности хода двигателя и взаимной уравновешенности сил инерции обеспечивается следующим образом. Эллипсоидные поверхности, по которым двигаются поршни в статоре секции 5, сдвинуты по окружности на 180° по отношению к эллипсоидной поверхности, по которой двигаются поршни в секциях 4 и 6. Поршни в секциях 4, 5 и 6 двигаются синхронно с одинаковой скоростью вращения. Поэтому силы инерции в секции 5 компенсируются суммарной силой инерции, образующейся в секции 4 и 6. Полная компенсация достигается при равенстве сил инерции в секции 5 с суммарной силой инерции в секциях 4 и 6 и подбирается массой поршней при проектировании двигателя.

На фиг.4 и 5 показано графическое изображение ротора-поршня 18, размещенного в секции 5 сгорания-выхлопа. Все роторы-поршни 11, 18, 24 аналогичны по конструкции. Ротор-поршень 18 состоит из диска 30, в котором по радиусам смещаются поршни 22 под действием раздвижной пружины 21 и внутренней эллипсоидной поверхности статора.

С обеих сторон диска 30 расположены элементы шлицевых разъемов 31 и 32. Шлицевой разъем 31 стыкуется со шлицевым разъемом ротора-поршня 11, расположенного в секции 4 всасывания-сжатия, а шлицевой разъем 32 стыкуется со шлицевым разъемом ротора-поршня 24 в секции 6 утилизации-выпуска. Эти шлицевые разъемы образуют общий вал 1 вращения в двигателе фиг.1 и имеют одинаковую конструкцию.

На фиг.4 и 5 шлицевой разъем ротора-поршня 24 секции 6 утилизации-выпуска шлицами 34, который аналогичен шлицевому разъему 31, вставлен во втулку со шлицами 35. Между шлицевым разъемом 32 диска 30 ротора-поршня 18 и шлицевым разъемом 34, принадлежащим ротору-поршню 24 секции 6 утилизации-выпуска, установлен сальник 36.

Шлицевые разъемы между роторами-поршнями 18 и 11 позволяют устанавливать плоскость поршня 22 секции 5 с плоскостью поршня 17 секции 4, сближая или удаляя их друг от друга, тем самым увеличивая или уменьшая коэффициент сжатия. А регулировка шлицами разъема между роторами-поршнями 18 и 24 путем перестановки шлицов позволяет создать оптимальный вариант подачи выхлопного газа в секцию 6 утилизации-выпуска. Поршни 22, 17 и 26 изготовлены из температуростойкого антифрикционного материала, например из медно-графитового состава.

На торцевой стороне поршней установлены лабиринтные уплотнители [4]. На диске 30 ротора-поршня 18, а также дисках роторов-поршней 11 и 24 установлены уплотнители 23 с подпруживанием. Для установления оптимального температурного режима роторов-поршней 11, 18, 24 в вале вращения 1, через все шлицевые соединения и диски роторов-поршней проходит магистраль 37 с охлаждающей жидкостью, последовательно охлаждая их (не показано).

На фиг.6 показан разрез "Б-Б":

секция 4, состоящая из ротора-поршня 11, статора 12, правой боковой крышки 7 с подшипником скольжения 13, разделительной перегородки 8 с подшипником скольжения 14, поршня 17, раздвижной пружины 16, вала вращения 1. В статоре 12 выполнен канал 38 всасывания. В разделительной перегородке 8 образован клапан 39 подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания секции 5. Клапан состоит из отверстия в разделительной перегородке 8, объемной выборке 40 металла в диске ротора-поршня 11, а также объемной выборке 41 металла в диске 30 ротора-поршня 18 в секции 5 сгорания-выхлопа и отверстия 42 между ними;

секция 5, состоящая из ротора-поршня 18, статора 19, разделительной перегородки 9 с подшипником скольжения 20, раздвижной пружины 21, поршней 22. В статоре 19, около отверстия 42, выполнено отверстие 43 с резьбой для установки свечи зажигания или форсунки высокого давления. В разделительной перегородке 9 выполнен канал 44 впуска выхлопных газов в секцию 6 утилизации-выпуска из секции 5 сгорания-выхлопа;

секция 6, состоящая из ротора-поршня 24, статора 25, разделительной перегородки 9 с подшипником скольжения 20, поршней 26 и раздвижной пружины 29, крышки 3 с подшипниками скольжения 27. В статоре 25 секции 6 выполнен канал 45 выпуска отработанных газов.

На фиг.7 разреза "В-В" секции 4 всасывания-сжатия двигателя фиг.1 изображены: статор 12, ротор-поршень 11, поршень 17, уплотнители 15, раздвижная пружина 16, диск 46 ротора-поршня 11, объемная выборка 40 в диске 46, канал 38 всасывания, камера 47 всасывания и камера 48 сжатия.

Если вращать вал 1 с ротором-поршнем 11 в статоре 12 по часовой стрелке, то поршень 17 при движении по эллипсоидной поверхности статора 12 за каждый оборот дважды всасывает топливную смесь в камеру 47 через канал 38 всасывания, а в камере 48 дважды сжимает эту смесь, и через отверстие 42 клапана 39 в разделительной перегородке 8 фиг.6 сжатая смесь поступает в секцию 5 сгорания-выхлопа.

На фиг.8 разреза "Г-Г" секции сгорания-выхлопа двигателя фиг.1 показаны: статор 19, ротор-поршень 18, поршень 22, уплотнитель 23, раздвижная пружина 21, диск 30, объемная выборка 41 в диске 30, камера 49 выхлопа, отверстие 42, клапана 39 подачи сжатой топливной смеси из секции 4 в секцию 5, камера 50 сгорания, резьбовое отверстие 43 для свечи зажигания или форсунки высокого давления и канал 44 впуска выхлопных газов в секцию 6.

На фиг.9 разреза "Д-Д" секции 6 утилизации-выпуска двигателя фиг.1 показаны: статор 25, ротор-поршень 24, поршень 26, раздвижная пружина 29, уплотнители 28, диск 46, канал 44 впуска выхлопных газов, в разделительной перегородке 9 фиг.6, камера 51 утилизации выхлопных газов, камера 52 выпуска отработанного газа и канал 45 выпуска отработанных газов.

Описание основных процессов, протекающих в шеститактном адиабатном двигателе.

Делаем, условно, вращение вала 1 по часовой стрелке, но перед этим рассмотрим положение ротора-поршня 11 секции 4 фиг.7 с положением ротора-поршня 18 секция 5 фиг.8. На фиг.7 видно, что поршень 17 сжал воздух в камере 48, и объемная выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 расположена над отверстием 42 клапана 39. Поршень 17 сжал воздух перед собой, а позади себя при вращении по часовой стрелке в камеру 47 под действием разрежения через канал 38 всасывания поступил воздух.

В момент вращения вала 1 по часовой стрелке рассмотрим положение ротора-поршня 18 секции 5 фиг.8. На Фиг.8 видно, что поршень 22 между диском 30 ротора-поршня 18 и статором 19 образовал камеру сгорания 50. Так как выборка 41 в металле диска 30 расположилась над отверстием 42 клапана 39, то сжатый воздух из камеры 48 фиг.7 поступил в камеру 50 фиг.8. На данных фиг.7 и 8 сжатый воздух в одинаковой пропорции расположился в камерах 48 и 50. Это выполнено для лучшего понимания процесса.

В действительности распределение количества воздуха (смеси) определяется положением отверстия 42 клапана 39 в разделительной перегородке 8. Дальнейший поворот вала 1 по часовой стрелке показывает, что камера 50 сгорания фиг.8 увеличивается в объеме при вращении поршня 22, а из камеры 49 воздух вытесняется через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 и 8 в секцию 6 утилизации-выпуска. Так как выборка 41 в диске 30 ротора-поршня 18 фиг.8 и выборка 40 в диске 46 ротора-поршня 11 фиг.7 сдвинулись с отверстия 42, то клапан 39 закрылся до момента следующего поворота вала 1 на 180°. Если бы в камере 50 произошло сгорание топлива, то давление газов от сгорания не распространилось бы в камеру 48 фиг.7. При этом положение поршня 26 на фиг.9 показано в момент впуска воздуха из секции 5 фиг.8 через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 в секцию 6 фиг.9. Воздух поступает в камеру 51 утилизации, и поршень 26 сдвигается по часовой стрелке и вытесняет воздух из камеры 52 через канал 45 выпуска отработанных газов в атмосферу.

При дальнейшем повороте поршень 17 ротора-поршня 11 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания, и функция камеры 47 всасывания меняется на функцию камеры 48 сжатия, и, так как клапан 39 закрыт, в камере 48 происходит сжатие. И через некоторый угол вращения поршень 17 займет положение, указанное на фиг.7. При этом повороте поршень 22 фиг.8 вытесняет воздух из камеры 49 выхлопа через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 в камеру 51 утилизации секции 6 фиг.9 и образует камеру 50 сгорания, при этом клапан 39 открывается, и сжатый воздух поступает из камеры 48 сжатия фиг.7 в камеру 50 сгорания фиг.8. Следует отметить, что клапан 39 открывается при положении поршней, указанных на фиг.7 и фиг.8, в остальной части поворота он закрыт при помощи дисков роторов-поршней. Для более уверенной герметизации клапана 39 от прорыва горячих газов возможна установка в отверстие 42 клапана 39 пластинчатого или иного дополнительного клапана.

Работа шеститактного роторно-поршневого адиабатного двигателя в динамическом режиме.

Карбюраторный вариант двигателя.

Для этого увеличиваем камеру 48 сжатия фиг.7, чтобы коэффициент сжатия соответствовал карбюраторному режиму двигателя. Делаем перестановку шлицевого разъема между дисками 46 ротора-поршня 11 секции 4 фиг.7 и диском 30 ротора-поршня 18 секции 5 фиг.8 так, чтобы относительное положение поршня 17 фиг.7 и поршня 22 фиг.8 было увеличено. Этим действием увеличиваем объем камеры 48 сжатия фиг.7, и коэффициент сжатия будет соответствовать работе карбюраторного двигателя. В резьбовое отверстие 43 фиг.8 устанавливаем свечу зажигания и на вход канала 38 всасывания фиг.7 устанавливаем карбюратор. Следует отметить, что все роторы-поршни в секциях 4, 5, 6 работают одновременно синхронно с одинаковыми скоростями и такты циклов всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа, утилизации, выпуска протекают в двигателе одновременно.

Первый цикл работы двигателя.

В исходном положении элементы роторов-поршней приведены на фиг.7, 8, 9. Поршень 17 фиг.7 одним концом находится перед каналом 38 всасывания, а второй конец находится перед отверстием 42 клапана 39 фиг.6 и 7, который в исходном положении открыт. Так как выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 находится над отверстием 42 клапана 39, а также выборка 41 металла в диске 30 ротора-поршня 18 фиг.8 находится над отверстием 42 клапана 39, поэтому камера 48 сжатия фиг.7 через отверстие 42 клапана 39 сообщается с камерой 50 фиг.8.

1-й такт всасывания топлива в секции 4.

Делаем поворот вала 1 на 180° под действием внешней силы по часовой стрелке. Поршень 17 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания фиг.7, и при дальнейшем движении между каналом 38 всасывания и поршнем 17 возникает разрежение, топливная смесь поступает в камеру 47 фиг.7, при этом выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 смещается с отверстия 42 клапана 39 фиг.7, а также выборка 41 металла в диске 30 ротора-поршня 18 фиг.8 сдвигается с отверстия 42 клапана 39 и клапан закрывается.

2-й такт сжатия топлива в секции 4.

В это самое время при повороте поршня 17 фиг.7 топливная смесь, в данном случае воздух, сжимается в камере 48 фиг.7, так как клапан 39 закрыт, камера 47 всасывания перед поршнем трансформировалась в камеру сжатия.

3-й такт сгорания топлива в секции 5.

В камере 50 фиг.8 находится сжатый воздух, и при вращении вала 1 с диском 30 ротора-поршня 18 фиг.8 происходит увеличение камеры 50 при условном сгорании топлива.

4-й такт выхлопа отработанного газа в секции 5. При этом поршень 22 фиг.8 ротора-поршня 18 при движении по часовой стрелке выталкивает из камеры 49, условно, выхлопной газ через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 в разделительной перегородке 9 в камеру 51 утилизации секции 6 фиг.9 и 6.

5-й такт утилизации выхлопных газов в секции 6. При повороте вала 1 поршень 26 фиг.9 ротора-поршня 24 смещается по часовой стрелке и принимает воздух через канал 44 впуска выхлопных газов в разделительной перегородке 9 из секции 5.

6-й такт выпуска отработанного газа из секции 6 в атмосферу.

При этом вращении вала 1 поршень 26 фиг.9 выталкивает, условно, отработанный газ через канал 45 выпуска отработанных газов из камеры 52 фиг.9 и 6 в атмосферу.

Так как все роторы-поршни обладают симметрией 180°, то после поворота вала 1 на 180°, закрепленные на нем роторы-поршни заняли положение, указанное на фиг.7, фиг.8, фиг.9.

Второй цикл работы двигателя.

Под действием внешнего усилия на вал 1 делаем поворот его по часовой стрелке на 180° (360° от исходного положения), при котором элементы двигателя расположены, как указано на фиг.7, фиг.8, фиг.9, как перед первым циклом. И шесть рабочих тактов происходят аналогичным образом, как и в первом цикле. За исключением того, что в камере 48 фиг.7 происходит сжатие топливно-газовой смеси, и после сжатия отверстие 42 клапана 39 открывается, так как выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 встала над отверстием 42 клапана 39 фиг.6 фиг.7. Так и выборка 41 металла диска 30 ротора-поршня 18 встала над отверстием 42 клапана 39 фиг.6, и сжатая топливная газовая смесь поступила в камеру 50 сгорания фиг.8. Элементы двигателя заняли положение, указанное на фиг.7, 8, 9.

Третий цикл работы двигателя.

Под действием внешней силы делаем дальнейший поворот вала 1 по часовой стрелке. При этом поршень 17 диска 46 ротора-поршня 11 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания фиг.7, а выборка 40 в металле диска 46 ротора-поршня 11 и выборка 41 в металле диска 30 ротора-поршня 18 смещаются с отверстия 42 клапана 39 и запирают его. В свече зажигания, установленной в отверстие 43 фиг.8, проскакивает искра и поджигает топливно-газовую смесь в камере 50 фиг.8. Давление от сгоревшей газовой смеси вращает поршень 22 фиг.8 по часовой стрелке на 180° (540° от исходного положения), передавая энергию через вал 1 вращения на маховик 10 фиг.1. При этом одновременно все роторы-поршни делают такой же поворот на 180° (540° от исходного значения). В камеру 47 фиг.7 всасывается топливно-газовая смесь за счет поворота поршня 17, а перед поршнем топливно-газовая смесь сжимается в камере сжатия 48 фиг.7.

При вращении поршня 22 фиг.8 по часовой стрелке происходит выталкивание находившегося воздуха в камере 49 через канал 44 впуска выхлопных газов в разделительной перегородке 9 фиг.6, в камеру 51 утилизации секции 6, фиг.9, 6, в которой поршень 26, вращаясь, выталкивает через канал 45 выпуска отработанных газов находившийся в камере 52 воздух фиг.6, 9. После поворота вала 1 на 180° (540° от исходного положения) все элементы двигателя заняли положение, указанное на фиг.7, 8, 9. При этом в камере 48 фиг.7 открывается отверстие 42 в клапане 39, и сжатая топливно-газовая смесь через отверстие 42 поступает в камеру 50 фиг.8.

Четвертый цикл работы двигателя.

За счет энергии, запасенной в маховике 10 фиг.1, все роторы-поршни 11, 18 и 24 делают одновременный поворот по часовой стрелке и проходят "мертвую точку", когда поршень 17 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания газовой смеси. Клапан 39 фиг.6, 8 закрывается, так как выборки 40 и 41 металла в дисках сошли с отверстия 42. В этот момент в свече зажигания, установленной в отверстии 43, проскакивает искра, и поступившая газовая смесь в камере 50 фиг.8 воспламеняется, горящая газовая смесь создает давление на поршень 22 фиг.8 и вращает его по часовой стрелке на 180° (720° от исходного значения), отдает и запасает энергию в маховике 10 фиг.1. При этом все роторы-поршни двигателя делают одновременный поворот на 180° (720° от исходного положения). В камеру 47 фиг.7 вновь поступает газовая смесь по каналу 38 всасывания, за счет поворота поршня 17 фиг.7, а впереди поршня ранее поступившая газовая смесь сжимается в камере 48 фиг.7. Поршень 22 фиг.8, через отверстие канала 44 впуска выхлопных газов фиг.8 и 6, выталкивает ранее сгоревшую газовую смесь с довольно высокой температурой и давлением в камеру 51 утилизации фиг.9 секции 6. Позади поршня 26 фиг.9, ранее сгоревшая газовая смесь, продолжает расширяться, снижая температуру, создавая давление на поршень 26, которое увеличивает момент вращения по часовой стрелке, передавая энергию через вал 1 маховику 10 фиг.1. Перед поршнем 26 фиг.9 ранее поступившая смесь выпускается из камеры 52 через канал 45 выпуска отработанных газов фиг.9, 6.

Элементы двигателя заняли положение, указанное на фиг.7, 8, 9, и далее процесс повторяется. Двигатель перешел на активный режим работы в динамике. Начальный отсчет от позиций элементов, указанных на фиг.7, 8, 9 при рассмотрении работы двигателя, взят условно. Этот отсчет можно проводить и от другой точки отсчета поворота вала 1.

Дизельный вариант цикла двигателя.

Для этого необходимо увеличить коэффициент сжатия путем перестыковки шлицевых разъемов между ротором-поршнем 11 и ротором-поршнем 18. В этом случае плоскости поршня 17 фиг.7 сблизятся с поршнем 22 фиг.8, и камера сжатия уменьшится. В отверстие 43 фиг.8 устанавливается форсунка высокого давления. Все процессы при запуске и работе двигателя аналогичны тем, которые описаны при карбюраторном цикле работы двигателя, за исключением того, когда в свече зажигания проскакивает искра, в этот момент форсунка высокого давления должна впрыснуть топливо в камеру 50 фиг.8.

Адиабатный цикл шеститактного двигателя.

Идея адиабатного цикла двигателя не нова. Многие фирмы пытались создать адиабатный двигатель. Наибольшим успехом в развитии адиабатного двигателя достигнуты фирмой "Каммикс" США. Опытный образец был создан на базе шестицилиндрового дизеля [3]. Но результаты испытаний не приведены. Даны только ожидаемые результаты. Очевидно, проект получил отрицательные результаты. Для получения адиабатного цикла необходимо, чтобы температура стенок цилиндра равнялась температуре газовой среды, а это нереально. За основу ими взята головка цилиндра без охлаждения, чтобы приблизить температуру горящей газовой среды к температуре головки. Это требование приблизит работу двигателя к адиабатному циклу. Но для реальной работы двигателя необходимо, чтобы сжатие происходило в холодном цилиндре, при меньших потерях энергии на сжатие, а сгорание происходило бы в горячем цилиндре, чтобы горящая газовая смесь не отдавала тепловую энергию в стенки цилиндра. Сделать это в одном цилиндре невозможно из-за противоречивых требований, чтобы цилиндр был холодным при сжатии и горячим при сгорании топлива. Это противоречие делает невозможным создание адиабатного цикла в варианте выпускаемых двигателей. Этот путь тупиковый.

Авторы предлагаемого изобретения дали свой вариант конструкции двигателя, в котором снимаются эти противоречия. Функцию одного цилиндра разделили на функции двух цилиндров. Это секция (цилиндр) всасывания-сжатия - холодная секция и секция сгорания-выхлопа - горячая секция (цилиндр). Это снимает противоречие. Так в холодной секции потери на сжатие уменьшены и в горячей секции потери при сгорании топлива также будут уменьшены. Даже в обычном температурном режиме карбюраторного двигателя в предлагаемом изобретении будут выражены, в некоторой мере, адиабатным циклом работы.

Для более выраженного адиабатного цикла работы в предлагаемом изобретении секцию всасывания-сжатия необходимо выполнить из алюминиевого сплава, а секцию сгорания-выхлопа и секцию утилизации-выпуска изготовить из керамики, которая имеет очень малую теплопроводность. При этом теплообмен между внешней средой и газом в секции 5 сгорание выхлоп по сравнению с изменением внутренней энергией рабочего тела будет настолько мал, что им можно пренебречь. Поэтому тепловые потери при работе двигателя будут существенно уменьшены.

В настоящее время в г.Тольятти разрабатывается двигатель, в котором поршневая группа выполняется на основе материала, применявшегося на внешней обшивке поверхности космического корабля "Буран". Этот материал может быть применен и в предлагаемом изобретении. Это дает возможность создать адиабатный цикл в двигателе без применения высоких температур в секции всасывания-сжатия и секции утилизации-выпуска как в карбюраторном, так и в дизельном вариантах двигателя.

Источники информации

1. "Судовые роторные двигатели". Б.И.Акатов, В.Б.Болотов, изд. Ленинград, "Судостроение", 1967 г., стр.27-29.

2. Патент US 2447929 A, F02B 53/00, 1948.

3. "Современный экономичный автомобиль". Ю.Мацкерле, изд. М.: "Машиностроение", 1987 г., стр.119-120, 150-154, 216-219.

4. "Уплотнения и уплотнительная техника". Справочник под общей редакцией А.И.Голубева и Л.А.Кондакова, М.: "Машиностроение", 1986 г., стр.375-388.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора, отличающийся тем, что конструкция двигателя является шеститактным роторно-поршневым адиабатным двигателем внутреннего сгорания с геометрическим разделением цикла на такты по секциям, на секцию с тактами всасывания-сжатия, на секцию с тактами сгорания-выхлопа, на секцию с тактами утилизации-выпуска, ротор-поршень в каждой секции закреплен на общем валу вращения двигателя со сдвигом по окружности вращения таким образом, что все такты в цикле происходят одновременно, в камере всасывания образован канал всасывания топливной смеси, а из камеры выпуска выполнен канал выпуска отработанных газов из двигателя, общий вал вращения роторов-поршней двигателя установлен на опорные подшипники, секции состоят из цилиндрических статоров, по сторонам которых установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в каждой секции при вращении ротор-поршень взаимодействует с боковыми стенками перегородок и крышками в цилиндре статора и образует рабочие камеры для своей секции, а в камере сжатия топливной смеси в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа образован клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, из камеры выхлопа в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска выполнен канал впуска выхлопных газов в камеру утилизации, в статоре, около отверстия клапана подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания.

www.findpatent.ru

двигатель с противоположно движущимися поршнями - патент РФ 2383752

Изобретение относится к двухтактным двигателям с противоположно движущимися поршнями и прямоточной продувкой цилиндров. Двигатель с противоположно движущимися поршнями содержит цилиндр (1) с рабочей камерой (8), ближний (4) и дальний (6) поршни, три кривошипно-кулисных механизма с коленвалом (3). Коленвал имеет три расположенные через 180° кривошипа (13, 14, 15). Крайние кривошипы (13, 15) взаимодействуют с ближним поршнем (4), средний (14) - с дальним (6). Крайние кулисы (18, 19) кривошипно-кулисных механизмов выполнены в ближнем поршне (4, 6). Крайние кулисы (18, 19) через сухари (16, 17) взаимодействуют с крайними кривошипами (13, 15). Средняя кулиса (23) выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне (24). Рамочный ползун (24) связан с дальним поршнем (6) штоком (25). Шток (25) проходит через центральное отверстие (27) ближнего поршня (4). Шток (25) через сухарь (22) взаимодействует со средним кривошипом (14). Между дальним поршнем (6) и днищем цилиндра (31) образован поршневой нагнетатель (33) с впускными (35) и нагнетательными (39) каналами. Двигатель с противоположно движущимися поршнями может быть дополнительно снабжен соосно расположенным по другую сторону коленвала аналогичным цилиндром (2) с ближним (5) и дальним поршнями (7), связанными с кривошипами (13, 14, 15) коленвала (3). Рабочая камера (8) снабжена двумя рядами продувочных окон (11, 12), управляемых дальним поршнем (6). Окна (12), расположенные ближе к коленвалу (3), связаны с турбонагнетателем воздуха (47). Окна (11), расположенные дальше от коленвала (3), сообщаются с прилегающим поршневым нагнетателем (33). Окно нагнетательного канала (37) с обратным клапаном (39) примыкает к днищу цилиндра (31). Окно впускного канала (35) примыкает к торцу дальнего поршня (6) при максимальной высоте нагнетательной камеры (52). Электроды свечей расположены в глубине свечных камер (57). Свободные витки резьбы нагнетательных камер покрыты каталитическим слоем. Технический результат заключается в снижении нагрузок на коренные подшипники коленвала, обеспечении надежного сжигания топливной смеси разных составов, улучшении работы системы смазки и охлаждения, снижении уровня шума. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к двухтактным двигателям с противоположно движущимися поршнями и прямоточной продувкой цилиндров.

Известен двигатель, содержащий соосные оппозитные цилиндры и противоположно движущиеся поршни, связанные кривошипно-шатунными механизмами с тремя кривошипами коленвала (Кн. «Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением», Ю.Мацкерле. Москва, 1959 г., стр.153, 157). Его недостатки:

1. Наличие кривошипно-шатунных механизмов на противоположных сторонах коленвала увеличивает поперечный габарит и вес двигателя.

2. ЦПГ двигателя имеет большие механические потери (больше 50%), это уменьшает КПД, увеличивает износ поршней и цилиндров.

3. Одновременность рабочих ходов в двух цилиндрах обуславливает большую неравномерность крутящего момента двигателя.

4. Большой объем кривошипной камеры с переменным давлением.

Известен также двигатель, содержащий цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, с механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенных через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с одним поршнем, а средний - с другим. (Кн. «Двухтактные двигатели», А.С.Орлин, М.Г.Круглов. Москва, 1960, стр.18-20, 45-47). Данная конструкция принята за прототип. Ее недостатки:

1. Большие габариты и вес из-за наличия кривошипно-шатунных механизмов и траверсы, это увеличивает инерционные нагрузки, снижает быстроходность и мощность ДВС.

2. Детали двигателя невозможно использовать для создания поршневого нагнетателя.

3. Прямоточная продувка рабочей камеры происходит с неравномерными полями скоростей, что ухудшает качество продувки.

Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя. Поставленная задача достигается тем, что в двигателе, содержащем цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, снабженными механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенных через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с одним поршнем, а средний - с другим поршнем, согласно изобретению ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем штоком, проходящим через отверстие в ближнем поршне, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, между дальним поршнем и днищем цилиндра образована нагнетательная камера с впускными и нагнетательными каналами.

Поставленная задача достигается также тем, что двигатель снабжен соосным расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично первым и подобно связанными с кривошипами коленвала.

Поставленная задача достигается также тем, что каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, ряд окон, расположенный ближе к коленвалу, сообщается с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенный дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем топливовоздушной смеси.

Поставленная задача достигается также тем, что в каждом поршневом нагнетателе окна нагнетательных каналов с обратными клапанами примыкают к днищу цилиндра, а окна впускных каналов примыкают к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.

Поставленная задача достигается также тем, что электроды свечей расположены в глубине свечных отверстий, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.

Новыми отличительными признаками по сравнению с прототипом являются:

1. Ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем при помощи штока, проходящим через центральное отверстие в ближнем поршне, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, между дальним поршнем и днищем цилиндра образована нагнетательная камера с впускными и нагнетательными каналами.

2. Двигатель снабжен соосным, расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично первым поршням и подобно связанными с кривошипами коленвала.

3. Каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, ряд окон, расположенных ближе к коленвалу, сообщается с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенных дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем, служащим для нагнетания топливо-воздушной смеси, находящейся в газообразном состоянии.

4. В каждом поршневом нагнетателе окна нагнетательных каналов с обратными клапанами примыкают к днищу цилиндра, а окна впускных каналов примыкают к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.

5. Электроды свечей расположены в глубине свечных отверстий, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На Фиг.1 - продольный разрез двигателя при нахождении дальних поршней в крайнем верхнем положении, а ближних поршней - в крайнем нижнем.

На Фиг.2 - поперечный разрез двигателя на Фиг.1.

На Фиг.3 - горизонтальный разрез двигателя с кривошипами, расположенными в горизонтальной плоскости.

На Фиг.4 - разрез по А-А на Фиг.2.

На Фиг.5 - поперечный разрез двигателя при рабочем ходе в нижнем цилиндре и такте сжатия в верхнем цилиндре.

Двигатель содержит оппозитные цилиндры 1, 2 с ближними к коленвалу 3 поршнями 4, 5 и дальними поршнями 6, 7. Между ближними 4, 5 и дальними 6, 7 поршнями расположены кольцевые рабочие камеры 8, 9 с выпускными окнами 10 и двумя рядами продувочных окон 11, 12. Коленвал 3 имеет три расположенных через 180° кривошипа 13, 14, 15. Крайние кривошипы 13, 15 взаимодействуют через сухари 16, 17 с кулисами 18, 19, выполненными в перемычках 20, 21 соединяющих ближние поршни 4, 5. Средний кривошип 14 взаимодействует через сухарь 22 с кулисой 23, выполненной в скользящем по зеркалу цилиндров 1, 2 рамочном ползуне 24, который жестко связан с дальними поршнями 6, 7 штоками 25, 26, проходящими через центральные отверстия 27, 28 в ближних поршнях 4, 5. Ближние 4, 5 и дальние 6, 7 поршни имеют сопловые камеры 29, 30. Между дальними поршнями 6, 7 и днищами 31, 32 цилиндров 1, 2 образованы поршневые нагнетатели 33, 34 топливовоздушной смеси с впускными 35, 36 и нагнетательными 37, 38 каналами с обратными пластинчатыми клапанами 39, 40.

На Фиг.1, 2 дальние поршни 6, 7, жестко связанные штоками 25, 26, находятся в самом верхнем положении, ближние поршни 4, 5, жестко связанные перемычками 20, 21, находятся в самом нижнем положении. В верхней рабочей камере 8 идет выпуск отработавших газов через окна 10 выпускных каналов 41, управляемых ближним поршнем 4, и идет продувка через два ряда продувочных окон 11, 12, управляемых дальним поршнем 6. В верхнем поршневом нагнетателе 33 конец такта сжатия топливовоздушной смеси, которая через нагнетательный канал 37 с открытым пластинчатым клапаном 39 поступает в напорную камеру 43 и через продувочные каналы 45 и дальний ряд продувочных окон 11 поступает в верхнюю рабочую камеру 8. А через нижний ряд продувочных окон 12 идет продувка сжатым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47 через окружную камеру 48 и продувочные каналы 50.

В нижней рабочей камере 9 конец такта сжатия топливного заряда было осуществлено его воспламенение и начинается рабочий ход. Воспламенение осуществляется тремя свечами, расположенными через 120°, части топливного заряда под воздействием увеличивающегося давления (сжатие + повышение температуры начала горения) продолжают интенсивно мигрировать в сопловые камеры 29, 30.

В нижнем поршневом нагнетателе 34 дальний поршень 7 находится в самом верхнем положении, объем нагнетательной камеры 53 наибольший. Благодаря закрытым клапанам 40 в камере 53 максимальное разрежение и через открывшиеся окна впускных каналов 36 с большой скоростью врывается топливовоздушная смесь.

На Фиг.3 - осевой разрез двигателя при горизонтальном положении кривошипов 13, 14, 15. Благодаря короткоходности поршней 4, 5, 6, 7 поперечные размеры кривошипов 13, 14, 15 меньше диаметра зеркала цилиндров 1, 2. Кривошипы 13, 14, 15 взаимодействуют с деталями 20, 21, 24, которые жестко связаны с ближними 4, 5, дальними 6, 7 поршнями и контактируют с зеркалом цилиндров 1, 2, образуя кривошипно-кулисно-ползунные механизмы, преобразующие прямолинейные перемещения поршней 4, 5, 6, 7 во вращательное коленвала 3.

На Фиг.4 - разрез А-А на Фиг.2, разрез по ближайшему коленвалу 3 ряду продувочных окон 12 чистым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47 в окружную камеру 48 с продувочными каналами 50, расположенными под углом к радиусу цилиндра 1 для тангенциального направления потоков и обеспечения осевого вращения топливного заряда в рабочей камере 8. Удаленный от коленвала 3 ряд окон 11 обеспечивает продувку топливовоздушной смесью, поступающей от прилегающего поршневого нагнетателя 33 с напорной камерой 43 по продувочным каналам 45, расположенным также под некоторым углом к радиусу цилиндра 1.

На Фиг.5 - поперечный разрез двигателя при такте сжатия в верхней рабочей камере 8 и рабочем ходе в нижней рабочей камере 9.

В камере 8 сходящие поршни 4, 6 быстро уменьшают объем камеры 8, быстро повышается давление, что снижает утечки рабочего тела и тепловые потери.

В камере 9 при рабочем ходе поршней 5, 7 под воздействием двух противоположно направленных потоков из сопловых камер 29, 30 образован торовый вихрь 54 с горящим внутренним кольцом. Его зарождению и протеканию способствуют круговая сегментная канавка 55 на дальнем поршне 7 и круговой выступ 56 на днище ближнего поршня 5.

Двигатель двухцилиндровый, оппозитный с соосными цилиндрами 1, 2, с парой жестко связанных между собой ближайших к коленвалу 3 поршней 4, 5 и парой жестко связанных между собой удаленных от коленвала 3 поршней 6, 7. Двигаясь при работе в противоположных направления с одинаковой скоростью и массой, блоки поршней 4, 5 и 6, 7 обеспечивают полную уравновешенность двигателя, одинаковую последовательность рабочих циклов в каждом цилиндре 1, 2, но в противоположных фазах.

В конце сжатия, перед ВМТ (НМТ) в нижней рабочей камере 9 (Фиг.1, 2) производится воспламенение топливного заряда тремя свечами. Из свечных камер 57 воспламененные части заряда врываются тремя очагами пламени в рабочую камеру 9, осуществляется ее поджог. Из-за продолжающегося уменьшения объема камеры 9 (поршни 5, 7 сближаются) и повышения температуры (начало горения заряда) в камере 9 повышается давление, под воздействием которого часть топливного заряда мигрирует в сопловые камеры 29, 30, проходя через узкие устья (доли миллиметра), по плавно расширяющимся каналам сопловых камер 29, 30, она охлаждается, отдавая тепло стенкам, не воспламеняя и не перемешиваясь с находящимися там частями заряда, осуществляя их поджатие.

При нахождении поршней 5, 7 в мертвых точках и после их прохождения горение охватывает почти всю камеру сгорания, давление повышается и миграция в сопловые камеры 29, 30 продолжается, происходит их максимальная подзарядка.

При дальнейших рабочих ходах поршней 5, 7 объем рабочей камеры 9 увеличивается, давление уменьшается и части топливного заряда из сопловых камер 29, 30 в обратном порядке (сначала самые горячие) с большой скоростью (благодаря эффекту сопла) устремляются в рабочую камеру 9, охватывая с противоположных сторон находящуюся там горящую часть топливного заряда, образуя торовый вихрь 54 (Фиг.5). Его зарождению и протеканию способствует наличие сегментной круговой канавки 55 на дальнем поршне 7 и кругового выступа 56 на ближнем поршне 5.

Поступающие из сопловых камер 29, 30 потоки сначала смеси, а потом воздуха окружают, изолируют горящую центральную часть огненного кольца от стенок рабочей камеры 9. Слои внешних потоков нагреваются и слои, прилегающие к центру очага, включаются в горение. Входящие последними сравнительно холодные слои потоков воздуха обеспечивают дожигание топливного заряда и его изоляцию от стенок камеры 9. Сжигание основного топливного заряда в торовом вихре 54 интенсифицирует процесс горения, повышается температура горения и давление, обеспечивается внутренняя адиабатизация процесса. Уменьшается токсичность ОГ.

В конце рабочего хода (см. Фиг.1, 2 цилиндр 1) ближним поршнем 4 открываются окна 10 выпускных каналов 41 и начинается выпуск отработавших газов, которые направляются в коллектор 58 турбонагнетателя 47. Затем дальним поршнем 6 открывается ряд продувочных окон 12 чистым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47, и начинается продувка. При дальнейшем ходе поршней 4, 6 дальним поршнем 6 открывается ряд продувочных окон 11 и добавляется продувка топливовоздушной смесью из поршневого нагнетателя 33.

Расположенные под углом к радиусу цилиндра 1 продувочные каналы 45, 50 обеспечивают осевое вращение топливного заряда в рабочей камере 8. Наличие в камере 8 штока 25 улучшает стабильность вращения заряда и качество продувки.

Продувка начинается чистым воздухом, продолжается совместно воздухом и богатой смесью. После окончания рабочего хода поршни 4, 6 движутся навстречу друг другу. Дальним поршнем 6 перекрываются окна 11 поступления смеси, в рабочую камеру 8 поступает только воздух из окон 12. Затем перекрываются и продувочные окна 12. До закрытия ближним поршнем 4 выпускных окон 10 через них теряется воздух из прилегающего к поршню 4 воздушного слоя (первым вошедшим в рабочую камеру 8 при продувке).

После закрытия всех окон 10, 11, 12 в камере 8 вращающийся топливный заряд располагается тремя слоями. К ближнему 4 и дальнему 6 поршням прилегают слои воздуха, в средней части - топливовоздушная смесь, близкая по составу к нормальной. Из-за осевого вращения слои на границе перемешиваются минимально.

При сжатии скорость осевого вращения заряда в камере 8 замедляется из-за внутреннего трения и трения о стенки рабочей камеры 8. Начинается заполнение сопловых камер 29, 30 чистым воздухом из прилегающих к поршням 4, 6 слоев воздуха, а продолжается и заканчивается топливовоздушной смесью среднего слоя. Замедлению осевого вращения заряда, особенно в конце такта сжатия способствует наличие радиальных ребер 59 в сегментной канавке 55 на торце дальнего поршня 6, повышается стабильность зажигания.

Электроды свечей зажигания расположены в глубине свечных камер 57, длина которых в пределах диаметра резьбы, свободные витки резьбы покрыты каталитическим слоем, например слоем платины толщиной 20 мкм. При повышении давления и температуры у части заряда, прилегающего к виткам резьбы, повышается энергия активации и на некоторых режимах работы двигателя инициируется воспламенение. Для стабильности зажигания на всех режимах работы устанавливаются свечи зажигания или накаливания.

Каждый поршневой нагнетатель 33, 34 имеет окна впускных 35, 36 и нагнетательных 37, 38 каналов, расположенных на противоположных сторонах нагнетательных камер 52, 53. Нагнетательные каналы 37, 38 имеют примыкающие к зеркалу цилиндра пластинчатые клапана 39, 40 и сообщаются с напорной камерой 43, 44, имеющей продувочные каналы 45, 46. При ходе дальнего поршня 6 вниз (Фиг.1, 2), при увеличении объема нагнетательной камеры 52 обратные клапана 39 закрываются и в камере 52 создается вакуум, увеличивающийся по мере хода поршня 6 вниз и увеличения объема камеры 52. При достижении максимального вакуума, при открытии поршнем 6 окон впускных каналов 35 в камеру 52 с большой скоростью врывается топливовоздушная смесь. При любом ее составе смесь переходит в газовое состояние. При обратном ходе поршня 6 газифицированная смесь сжимается и через открытый клапан 39 поступает в напорную камеру 43, а при продувке цилиндра 1 через продувочные каналы 45 - в рабочую камеру 8.

Двигатель с двумя равными по массе блоками поршней 4, 5 и 6, 7, движущимися с равными скоростями, но в противоположных направлениях, полностью уравновешен. Энергия рабочего хода в одной рабочей камере 8 или 9 используется для проведения всех других процессов путем осевого силового воздействия на блоки поршней 4, 5 и 6, 7. Для равномерного вращения коленвала 3 и вывода блоков поршней 4, 5 и 6, 7 из мертвых точек используется маховик (не показан) небольшой массы из-за равномерности крутящего момента.

При рабочих ходах движущиеся в противоположных направлениях блоки 4, 5 и 6, 7 взаимодействуют один блок поршней 6, 7 со средним кривошипом 14, другой блок поршней 4, 5 с двумя крайними кривошипами 13, 15, нагружая их равными, но противоположно направленными силами (образующими пару сил), осуществляя совместный поворот, вращение коленвала 3, без нагружения коренных подшипников коленвала 3. Это уменьшает механические потери, шум двигателя.

Начинается и заканчивается продувка рабочих камер 8, 9 чистым воздухом, поступающим из ближних окон 12 под давлением от турбонагнетателя 47. В середине она осуществляется совместно воздухом и богатой смесью, поступающей из дальних продувочных окон 11 от прилегающего поршневого нагнетателя 33 или 34. Потоки среднего слоя, воздуха и богатой смеси, поступающие из близко шахматно расположенных окон 11, 12, постепенно перемешиваются (до смеси нормального состава).

Регулировать нагрузку двигателя возможно путем изменения состава смеси, поступающей в поршневые нагнетатели 33, 34 и путем дополнительного впрыска топлива через форсунки (не показаны) в каналы, по которым проходит чистый воздух от турбонагнетателя 47 (в среднюю часть потока). Это обеспечивает частично качественное регулирование работы двигателя.

Между штоками 25, 26 и центральными отверстиями 27, 28 поршней 4, 5 предусматриваются минимальные зазоры. При рабочих ходах поршней 4, 5, 6, 7, при смещении кривошипов 13, 14, 15 от оси цилиндров 1, 2 штоки 25, 26 нагружаются нормальными силами реакции в отверстиях 27, 28 далеко разнесенных ближних поршней 4, 5, что определяет их малую величину, а значительная площадь контакта взаимодействующих поверхностей и хорошие условия смазки обеспечивают нормальные условия работы.

При работе двигателя, при противоположных перемещениях блоков поршней 4, 5 и 6, 7 объем и давление в кривошипной камере 60 не изменяются, упрощается ее герметизация, обеспечивается раздельная смазка ближайших поршней 4, 5, штоков 25, 26 и подшипников коленвала 3. Смазка дальних поршней 6, 7 обеспечивается другими известными способами. Малая температура цилиндров 1, 2 и поршней 4, 5, 6, 7, большая длина поршней 4, 5, 6, 7 и отсутствие боковых нагрузок упрощает герметизацию поршней 4, 5, 6, 7 - максимум одно неразрезанное неметаллическое кольцо (не показано), уменьшается расход масла.

Конструкция двигателя в отличие от обычного двухтактного двигателя обеспечивает двухстороннее попеременное нагружение подшипников, это улучшает условия их смазки, уменьшает износ, повышает долговечность работы.

Наличие сопловых камер 29, 30 увеличивает объем камеры сгорания, это предопределяет применение низкооктанового неэтилированного бензина.

Цилиндры 1, 2 имеют двойные стенки с образованием замкнутой камеры 61, это увеличивает жесткость конструкции, при заполнении камеры 61 маслом улучшается равномерность нагрева стенок цилиндров 1, 2, уменьшается шум двигателя. При установке в камере 61 электронагревательных элементов возможен предпусковой подогрев двигателя зимой.

Преимущества кривошипно-кулисных механизмов:

а) отсутствуют силы инерции II порядка, что уменьшает вибрацию и шум двигателя;

б) из-за отсутствия шатунов уменьшаются:

на 1/cos нагрузки на кривошипные подшипники, потери на трение (поршней) штоков 25, 26, объем кривошипной камеры 60, высота и вес двигателя.

В качестве ползунов использовано взаимодействие боковых поверхностей рамочного ползуна 24 и перемычек 20, 21 с зеркалом цилиндров 1, 2. Это упрощает конструкцию, увеличивает компактность и уменьшает вес двигателя.

В конструкции двигателя вес блоков поршней 4, 5 и 6, 7 значителен. Но в двухтактных двигателях в первой четверти оборота коленвала 3 от ВМТ (от 0° до 90° поворота коленвала (п.к.в.)) поршни 4, 5, 6, 7 ускоряются, векторы сил давления газов и инерции поршней 4, 5, 6, 7 направлены в противоположные стороны. Силы инерции уменьшают результирующую силу, уменьшается ударная нагрузка на детали коленвала 3. Во второй четверти оборота (от 90° до 180° п.к.в.) движения поршней 4, 5, 6, 7 замедляется, векторы сил инерции и давления газов совпадают, суммируются. Это смягчает работу двигателя.

Отсутствие перекладывания поршней 4, 5, 6, 7 при работе, малые зазоры между поршнями 4, 5, 6, 7 и зеркалом цилиндров 1, 2, хорошие условия смазки деталей, меньшая величина максимального давления теплового цикла, плавное нарастание и снижение давления в рабочих камерах 8, 9, малые нагрузки на коренные подшипники коленвала 3, наличие двойных стенок у цилиндров 1, 2 с образованием замкнутой камеры 61 - все это снижает уровень шума двигателя.

Другие преимущества двигателя:

1. Повышенная стабильность циклов за счет надежности воспламенения благодаря наличию трех свечей со свечными камерами 57.

2. Отношение S/(D-d)>1. Это повышает степень расширения рабочего тела, полнее проявляются преимущества прямоточной продувки с осевым вращением заряда.

3. Двойное нагнетание обеспечивает эффективную работу двигателя на всех режимах и возможность позднего предварения выпуска, что повышает КПД.

4. Частично качественное регулирование нагрузки уменьшает долю дроссельных потерь.

5. Трехслойное размещение топливного заряда в рабочих камерах 8, 9, сжигание его в торообразном вихре 54 с изоляцией пламени от стенок камер 8, 9 интенсифицирует процесс горения, уменьшает тепловые потери и токсичность ОГ, обеспечивает надежное сжигание суммарно переобедненных зарядов, отпадает необходимость в обычной системе охлаждения.

6. Низкая температура цилиндропоршневой группы определяет малый расход масла, позволяет использовать в качестве топлива водород, без риска перегрева и детонации.

7. Двигатель компактен, симметричен, имеет минимальное число деталей и малый вес, сравнительно прост по конструкции и эффективен в работе. Двигатель возможен и в дизельном исполнении. Для этого свечи заменяются на форсунку, поршневые нагнетатели осуществляют продувку также чистым воздухом, уменьшаются объемы камер сгорания и сопловых камер 29, 30.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель с противоположно движущимися поршнями, содержащий цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, с механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенные через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с ближним поршнем, а средний - с дальним, отличающийся тем, что ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем штоком, проходящим через центральное отверстие ближнего поршня, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, при этом между дальним поршнем и днищем цилиндра образован поршневой нагнетатель с впускными и нагнетательными каналами.

2. Двигатель с противоположно движущимися поршнями по п.1, отличающийся тем, что снабжен соосным расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично и подобно первым связанными с кривошипами коленвала.

3. Двигатель с противоположно движущимися поршнями по любому пп.1 или 2, отличающийся тем, что каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, при этом ряд окон, расположенный ближе к коленвалу, связан с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенный дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем.

4. Двигатель с противоположно движущимися поршнями по любому пп.1 или 2, отличающийся тем, что в каждом поршневом нагнетателе окно нагнетательного канала с обратным клапаном примыкает к днищу цилиндра, а окно впускного канала примыкает к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.

5. Двигатель с противоположно движущимися поршнями по любому пп.1 или 2, отличающийся тем, что электроды свечей расположены в глубине свечных камер, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.

www.freepatent.ru

Двигатель внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями

 

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания включает в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра. Модуль содержит вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу, второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальную зубчатую передачу к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала. Цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками. Поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны. Кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3+n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом. Возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами. Технический результат заключается в улучшении крутящего момента и характеристик управления циклом двигателя. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В частности, изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с улучшенным управлением различными циклами в процессе эксплуатации двигателя. Изобретение также относится к двигателям внутреннего сгорания с более высокими характеристиками крутящего момента.

Двигатели внутреннего сгорания, которые используются в автомобилях, как правило, являются двигателями возвратно-поступательного типа, в которых поршень, колеблющийся в цилиндре, приводит в движение коленчатый вал через шатун. Имеются многочисленные недостатки в традиционной конструкции поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом, недостатки в основном связаны с возвратно-поступательным движением поршня и шатуна.

Были разработаны многочисленные конструкции двигателя с целью преодоления ограничений и недостатков традиционных двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Данные разработки включают в себя роторные двигатели, такие как двигатель Ванкеля, и двигатели, в которых кулачок или кулачки используются вместо, по крайней мере, коленчатого вала и в некоторых случаях также шатуна.

Двигатели внутреннего сгорания, в которых кулачок или кулачки заменяют коленчатый вал, описаны, например, в заявке N 17897/76 на австралийский патент. Однако в то время как достижения в двигателе данного типа дали возможность преодолеть некоторые недостатки традиционных поршневых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом, двигатели, использующие кулачок или кулачки вместо коленчатого вала, не эксплуатируются в полном масштабе.

Известны также случаи использования двигателей внутреннего сгорания, имеющих противоположно движущиеся взаимосвязанные поршни. Описание такого устройства приводится в заявке N 36206/84 на австралийский патент. Однако ни в этом раскрытии предмета изобретения, ни в подобных документах нет предложения о возможности использования концепции противоположно движущихся взаимосвязанных поршней совместно с чем-то другим, нежели коленчатым валом.

Задача изобретения заключается в создании двигателя внутреннего сгорания кулачкового роторного типа, который может иметь улучшенный крутящий момент и более высокие характеристики управления циклами двигателя. Задачей изобретения является также создание двигателя внутреннего сгорания, который дает возможность преодолеть, по меньшей мере некоторые недостатки существующих двигателей внутреннего сгорания.

В широком смысле изобретение предлагает двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра, указанный модуль цилиндра содержит: - вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу, и второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальной зубчатой передачей к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала; - по меньшей мере, одну пару цилиндров, цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками с несколькими рабочими выступами, которые вставлены между ними; - поршень в каждом цилиндре, поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны; в котором кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3+n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом; и в котором возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами.

Двигатель может содержать от 2 до 6 модулей цилиндра и по две пары цилиндров на каждый модуль цилиндра. Пары цилиндров могут быть расположены под углом 90o друг к другу. Преимущественно каждый кулачок имеет три рабочих выступа, и каждый выступ является асимметричным.

Жесткая взаимосвязь поршней включает в себя четыре шатуна, проходящие между парой поршней с шатунами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня, причем для шатунов предусмотрены направляющие втулки. Дифференциальная зубчатая передача может быть установлена внутри двигателя совместно с кулачками, вращающимися в обратном направлении, или с наружной стороны двигателя.

Двигатель может быть двухтактным двигателем. Кроме того, связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами осуществляется через роликовые подшипники, которые могут иметь общую ось, или их оси могут быть смещены по отношению друг к другу и оси поршня.

Из вышесказанного следует, что коленчатый вал и шатуны традиционного двигателя внутреннего сгорания заменены линейным валом и кулачками с несколькими рабочими выступами в двигателе в соответствии с изобретением. Использование кулачка вместо устройства шатуна/коленчатого вала обеспечивает возможность более эффективного контроля за позиционированием поршня в процессе работы двигателя. Например, период нахождения поршня в верхней мертвой точке (TDC) может быть продлен.

Далее из подробного описания изобретения следует, что несмотря на наличие двух цилиндров, по меньшей мере, в одной паре цилиндров, в действительности создано устройство цилиндр-поршень двойного действия при помощи противоположно расположенных цилиндров с взаимосвязанными поршнями. Жесткая взаимосвязь поршней также устраняет перекашивающее кручение и сводит до минимума контакт между стенкой цилиндра и поршнем, таким образом, уменьшая трение.

Использование двух кулачков, вращающихся в противоположном направлении, дает возможность достичь более высокого крутящего момента, чем при использовании традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что как только поршень начинает рабочий такт, он имеет максимальное механическое преимущество по отношению к рабочему выступу кулачка.

Обратимся теперь к более конкретным деталям двигателей внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, такие двигатели, как указано выше, включают в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра. Двигатель с одним модулем цилиндра является предпочтительнее, хотя двигатели могут иметь от двух до шести модулей. В двигателях с несколькими модулями одиночный вал проходит через все модули или как единый элемент, или как взаимосвязанные части вала. Аналогично, блоки цилиндра двигателей с несколькими модулями могут быть выполнены как одно целое друг с другом или отдельно.

Модуль цилиндра обычно имеет одну пару цилиндров. Однако двигатели в соответствии с изобретением могут также иметь две пары цилиндров на один модуль. В модулях цилиндров, имеющих две пары цилиндров, пары, как правило, расположены под углом 90o друг к другу.

Что касается кулачков с несколькими рабочими выступами в двигателях в соответствии с изобретением, то предпочтение отдается кулачку с тремя рабочими выступами. Это обеспечивает возможность шести циклов зажигания на один оборот кулачка в двухтактном двигателе. Однако двигатели могут также иметь кулачки с пятью, семью, девятью или большим количеством рабочих выступов.

Рабочий выступ кулачка может быть асимметричным для регулирования скорости поршня на определенной стадии цикла, например, для увеличения продолжительности нахождения поршня в верхней мертвой точке (TDC) или в нижней мертвой точке (BDC). По оценке специалистов в данной области техники увеличение продолжительности нахождения в верхней мертвой точке (TDC) улучшает сгорание, в то время как увеличение продолжительности нахождения в нижней мертвой точке (BDC) способствует улучшению продувки. Регулирование скорости поршня при помощи рабочего профиля дает возможность регулировать также ускорение поршня и приложение крутящего момента. В частности, это дает возможность получить более значительный крутящий момент сразу же после верхней мертвой точки, чем в традиционном поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом. Другие конструктивные особенности, обеспечиваемые переменной скоростью поршня, включают в себя регулирование скорости открывания отверстия по сравнению со скоростью закрытия и регулированием скорости сжатия по отношению к скорости сгорания.

Первый кулачок с несколькими рабочими выступами может устанавливаться на вал любым способом, известным в данной области техники. Альтернативно, вал и первый кулачок с несколькими рабочими выступами могут изготавливаться как единый элемент.

Дифференциальная зубчатая передача, которая обеспечивает возможность вращения в обратном направлении первого и второго кулачков с несколькими рабочими выступами, также синхронизирует вращение кулачков в обратном направлении. Способ дифференциальной зубчатой передачи кулачков может быть любым способом, известным в данной области техники. Например, конические зубчатые колеса могут устанавливаться на противоположных поверхностях первого и второго кулачков с несколькими рабочими выступами с, по меньшей мере, одним зубчатым колесом между ними. Предпочтительно, устанавливаются два диаметрально противоположных зубчатых колеса. Поддерживающий элемент, в котором свободно вращается вал, предусмотрен для поддерживающих зубчатых колес, что дает определенные преимущества.

Жесткая взаимосвязь поршней, как правило, включает в себя по меньшей мере два шатуна, которые устанавливаются между ними и крепятся к нижней поверхности поршней, смежных с периферией. Предпочтительно используются четыре шатуна, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня. В модуле цилиндра предусмотрены направляющие втулки для шатунов, взаимосвязывающих поршни. Направляющие втулки обычно имеют конфигурацию, которая обеспечивает возможность бокового движения шатунов при расширении и сжатии поршня.

Соприкосновение между поршнями и поверхностями кулачков способствует уменьшению вибрации и потерь в результате трения. С нижней стороны поршня имеется роликовый подшипник для соприкосновения с каждой поверхностью кулачка.

Следует отметить, что взаимосвязь поршней, включающих в себя пару противоположно движущихся поршней, обеспечивает возможность регулирования зазора между площадью контакта поршня (будь то роликовый подшипник, каретка или тому подобное) и поверхностью кулачка. Более того, такой способ контакта не требует канавок или того подобного в боковых поверхностях кулачков с целью получения традиционного шатуна, как в случае с некоторыми двигателями аналогичной конструкции. Данная характеристика двигателей аналогичной конструкции при превышении скорости приводит к износу и чрезмерному шуму, данные недостатки в значительной степени устраняются в настоящем изобретении.

Двигатели, согласно изобретению, могут быть двухтактными или четырехтактными. В первом случае, смесь топлива обычно подается с наддувом. Однако любой вид подачи топлива и воздуха могут использоваться совместно в четырехтактном двигателе.

Модули цилиндров в соответствии с изобретением могут также служить воздушными или газовыми компрессорами.

Другие аспекты двигателей согласно изобретению соответствуют тому, что обычно известно в данной области техники. Однако следует отметить, что требуется только подача масла под очень низким давлением на дифференциальную зубчатую передачу кулачков с несколькими рабочими выступами, уменьшая таким образом, потери мощности при помощи масляного насоса. Более того, другие элементы двигателя, включая поршни, могут получать масло путем разбрызгивания. В этом отношении следует отметить, что разбрызгивание масла на поршни при помощи центробежной силы служит также для охлаждения поршней.

Преимущества двигателей в соответствии с изобретением включают в себя следующее: - двигатель имеет компактную конструкцию с небольшим количеством движущихся деталей; - двигатели могут работать в любом направлении при применении кулачков с несколькими симметричными рабочими выступами; - двигатели являются более легкими, чем традиционные поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом; - двигатели более легко изготавливаются и собираются, чем традиционные двигатели;- более продолжительный перерыв в работе поршня, который становится возможным благодаря конструкции двигателя, обеспечивает возможность использования более низкой, чем обычная, степени сжатия;- устранены детали с возвратно-поступательным движением, такие как шатуны вала поршня-кривошипа.

Другими преимуществами двигателей в соответствии с изобретением благодаря применению кулачков с несколькими рабочими выступами являются следующие: кулачки могут более легко изготавливаться, чем коленчатые валы; кулачки не требуют дополнительных противовесов; и кулачки удваивают действие как маховик, таким образом, обеспечивая большее количество движения.

Рассмотрев изобретение в широком смысле, приведем теперь конкретные примеры осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, кратко описанные ниже.

Фиг. 1. Поперечное сечение двухтактного двигателя, включающего в себя один модуль цилиндра с поперечным сечением по оси цилиндров и поперечным сечением по отношению к валу двигателя.

Фиг. 2. Часть поперечного сечения по линии A-A фиг. 1.

Фиг. 3. Часть поперечного сечения по линии B-B фиг. 1, показывающая деталь нижней части поршня.

Фиг. 4. График, показывающий положение конкретной точки на поршне при пересечении одного асимметричного рабочего выступа кулачка.

Фиг. 5. Часть поперечного сечения другого двухтактного двигателя, включающего в себя один модуль цилиндра с поперечным сечением в плоскости центрального вала двигателя.

Фиг. 6. Вид с торца одного из блоков шестерен двигателя, показанного на фиг. 5.

Фиг. 7. Схематический вид части двигателя, показывающий поршень в соприкосновении с кулачками с тремя рабочими выступами, которые вращаются в обратном направлении.

Фиг. 8. Деталь поршня, имеющего подшипники, соприкасающиеся со смещенным кулачком.

Одинаковые позиции на фигурах пронумерованы одинаково.

На фиг. 1 показан двухтактный двигатель 1, включающий в себя один модуль цилиндра, который имеет одну пару цилиндров, состоящую из цилиндров 2 и 3. Цилиндры 2 и 3 имеют поршни 4 и 5, которые взаимосвязаны четырьмя шатунами, два из которых видны в позициях 6a и 6b.

Двигатель 1 также включает в себя центральный вал 7, с которым связаны кулачки с тремя рабочими выступами. Кулачок 9 фактически совпадает с кулачком 8, как показано на фигуре, ввиду того, что поршни находятся в верхней мертвой точке или в нижней мертвой точке. Поршни 4 и 5 соприкасаются с кулачками 8 и 9 через роликовые подшипники, положение которых, в общем, указывается в позициях 10 и 11.

Другие конструктивные особенности двигателя 1 включают в себя водяную рубашку 12, свечи зажигания 13 и 14, маслоотстойник 15, датчик 16 масляного насоса и уравновешивающие валы 17 и 18. Расположение впускных отверстий указано позициями 19 и 20, которое также соответствует положению выхлопных отверстий.

На фиг. 2 более детально показаны кулачки 8 и 9 вместе с валом 7 и дифференциальной зубчатой передачей, которые будут вкратце описаны. Поперечное сечение, показанное на фиг. 2, повернуто на 90o по отношению к фиг. 1 и рабочие выступы кулачка находятся в немного другом положении по сравнению с положениями, показанными на фиг. 1.

Дифференциальная или синхронизирующая зубчатая передача включает в себя коническое зубчатое колесо 21 на первом кулачке 8, коническое зубчатое колесо 22 на втором кулачке 9 и ведущие шестерни 23 и 24. Ведущие шестерни 23 и 24 поддерживаются зубчатой опорой 25, которая прикреплена к корпусу 26 вала. Корпус 26 вала, предпочтительно, является частью модуля цилиндра. На фиг. 2 показан также маховик 27, шкив 28 и подшипники 29-35.

Первый кулачок 8 в основном изготовлен за одно целое с валом 7. Второй кулачок 9 может вращаться в обратном направлении по отношению к кулачку 8, но регулируется по времени к вращению кулачка 8 дифференциальной зубчатой передачей.

На фиг. 3 показана нижняя сторона поршня 5, показанного на фиг. 1 для того, чтобы представить деталь роликовых подшипников. На фиг. 3 показан поршень 5 и вал 36, проходящий между бобышками 37 и 38. Роликовые подшипники 39 и 40 установлены на валу 36, которые соответствуют роликовым подшипникам, как указано цифрами 10 и 11 на фиг. 1.

Взаимосоединенные шатуны могут быть видны в поперечном сечении на фиг. 3, один из них указан позицией 6а. Показаны муфты, через которые проходят взаимосоединенные шатуны, одна из которых указана цифрой 41.

Несмотря на то, что фиг. 3 выполнена в более крупном масштабе, чем фиг. 2, из нее следует, что роликовые подшипники 39 и 40 могут соприкасаться с поверхностями 42 и 43 кулачков 8 и 9 (фиг. 2) в процессе эксплуатации двигателя.

Работа двигателя 1 может быть оценена по фиг. 1. Движение поршня 4 и 5 слева направо при рабочем такте в цилиндре 2 вызывает вращение кулачков 8 и 9 через их контакт с роликовым подшипником 10. В результате происходит эффект работы "ножниц". Вращение кулачка 8 оказывает воздействие на вращение вала 7, в то время как обратное вращение кулачка 9 также способствует вращению кулачка 7 при помощи дифференциальной зубчатой передачи (см. фиг. 2).

Благодаря действию "ножниц" достигается более значительный крутящий момент при рабочем такте, чем в традиционном двигателе. Действительно, соотношение диаметра поршня/длины хода поршня, показанное на фиг. 1, может стремиться к значительно большей площади конфигурации с сохранением адекватного крутящего момента.

Еще одной конструктивной особенностью двигателей в соответствии с изобретением, показанным на фиг. 1, является то, что эквивалент картера двигателя герметизирован по отношению к цилиндрам в отличие от традиционных двухтактных двигателей. Это дает возможность использовать топливо без масла, таким образом, уменьшая компоненты, выделяемые двигателем в воздух.

Регулирование скорости поршня и продолжительность нахождения в верхней мертвой точке (TDC) и нижней мертвой точке (BDC) при использовании рабочего выступа асимметричного кулачка показаны на фиг. 4. Фиг. 4 - это график конкретной точки на поршне при его колебании между средней точкой 45, верхней мертвой точкой (TDC) 46 и нижней мертвой точкой (BDC) 47. Благодаря рабочему выступу асимметричного кулачка скорость поршня может регулироваться. Во-первых, поршень находится в верхней мертвой точке 46 в течение более продолжительного периода времени. Быстрое ускорение поршня в позиции 48 обеспечивает возможность более высокого крутящего момента при такте сгорания, в то время как более низкая скорость поршня в позиции 49 в конце такта сгорания обеспечивает возможность более эффективного регулирования отверстия. С другой стороны, более высокая скорость поршня в начале такта 50 сжатия обеспечивает возможность более быстрого закрытия для повышения экономии топлива, в то время как низкая скорость поршня в конце 51 данного такта обеспечивает более высокие механические преимущества.

На фиг. 5 показан другой двухтактный двигатель, имеющий одноцилиндровый модуль. Двигатель показан в частичном поперечном сечении. В действительности половина блока двигателя удалена для того, чтобы показать внутреннюю деталь двигателя. Поперечное сечение представляет собой плоскость, совпадающую с осью центрального вала двигателя (см. ниже). Таким образом, блок двигателя разделен по средней линии. Однако некоторые компоненты двигателя также показаны в поперечном сечении, такие как поршни 62 и 63, несущие бобышки 66 и 70, кулачки с тремя рабочими выступами 60 и 61 и втулка 83, связанная с кулачком 61. Все эти позиции будут рассмотрены ниже.

Двигатель 52 (фиг. 5) включает в себя блок 53, головки 54 и 55 цилиндров и цилиндры 56 и 57. Свеча зажигания включена в головку каждого цилиндра, но для ясности на чертеже не показана. Вал 58 может вращаться в блоке 53 и поддерживается роликовыми подшипниками, один из которых указан позиций 59. Вал 58 имеет первый кулачок 60 с тремя рабочими выступами, прикрепленными к нему, кулачок расположен рядом с кулачком 61 с тремя рабочими выступами, который вращается в обратном направлении. Двигатель 52 включает в себя пару жестко взаимосвязанных поршней 62 в цилиндре 56 и 63 в цилиндре 57. Поршни 62 и 63 связаны четырьмя шатунами, два из которых указаны в позициях 64 и 65. (Шатуны 64 и 65 находятся в другой плоскости по отношению к остальной части поперечного сечения чертежа. Аналогичным образом, точки соприкосновения шатунов и поршней 62 и 63 не находятся в одной и той же плоскости остальной части поперечного сечения. Соотношение между шатунами и поршнями, по существу, такое же, как для двигателя, показанного на фиг. 1-3). Перемычка 53а проходит внутри блока 53 и включает в себя отверстия, через которые проходят шатуны. Данная перемычка сдерживает шатуны и, следовательно, поршни на одной прямой с осью модуля цилиндра.

Роликовые подшипники вставлены между нижними сторонами поршней и поверхностями кулачков с тремя рабочими выступами. Что касается поршня 62, то на нижней стороне поршня установлена несущая бобышка 66, которая удерживает вал 67 для роликовых подшипников 68 и 69. Подшипник 68 соприкасается с кулачком 60, в то время как подшипник 69 соприкасается с кулачком 61. Предпочтительно, поршень 63 включает в себя идентичную несущую бобышку 70 с валом и подшипниками. Следует также отметить с учетом несущей бобышки 70, что перемычка 53b имеет соответствующее отверстие для обеспечения возможности прохождения несущей бобышки. Перемычка 53а имеет аналогичное отверстие, но часть перемычки, показанная на чертеже, находится в той же плоскости, что и шатуны 64 и 65.

Вращение в обратном направлении кулачка 61 по отношению к кулачку 60 осуществляется дифференциальной зубчатой передачей 71, установленной с наружной стороны блока цилиндров. Корпус 72 предусмотрен для удерживания и покрытия компонентов зубчатой передачи. На фиг. 5 корпус 72 представлен в поперечном сечении, в то время как зубчатая передача 71 и вал 58 показаны не в поперечном сечении.

Зубчатая передача 71 включает в себя солнечную шестерню 73 на валу 58. Солнечная шестерня 73 соприкасается с ведущими шестернями 74 и 75, которые, в свою очередь, соприкасаются с планетарными шестернями 76 и 77. Планетарные шестерни 76 и 77 соединены через валы 78 и 79 со вторым комплектом планетарных шестерен 80 и 81, которые установлены с солнечной шестерней 73 на втулке 83. Втулка 83 является коаксиальной по отношению к валу 58 и отдаленный от центра конец втулки прикреплен к кулачку 61. Ведущие шестерни 74 и 75 установлены на валы 84 и 85, валы поддерживаются подшипниками в корпусе 72.

Часть зубчатой передачи 71 показана на фиг. 6. Фиг. 6 - это вид с торца вала 58, если смотреть снизу фиг. 5.

На фиг. 6 солнечная шестерня 73 видна около вала 57. Ведущая шестерня 74 показана в соприкосновении с планетарной шестерней 76 на валу 78. На фигуре показана также вторая планетарная шестерня 76 на валу 78. На фигуре показана также вторая планетарная шестерня 80 в контакте с солнечной шестерней 32 на втулке 83.

Из фиг. 6 следует, что вращение по часовой стрелке, например, вала 58 и солнечной шестерни 73 оказывает динамическое воздействие на вращение против часовой стрелки - по часовой стрелке солнечной шестерни 82 и втулки 83 через ведущую шестерню 74 и планетарные шестерни 76 и 80. Следовательно, кулачки 60 и 61 могут вращаться в обратном направлении.

Другие конструктивные особенности двигателя, показанные на фиг. 5, и принцип работы двигателя являются такими же, как у двигателя, показанного на фиг. 1 и 2. В частности, направленное вниз тяговое усилие поршня придает кулачкам действие, подобное ножницам, что может привести к обратному вращению с помощью дифференциальной зубчатой передачи.

Следует подчеркнуть, что в то время как в двигателе, показанном на фиг. 5, используются обыкновенные шестерни в дифференциальной зубчатой передаче может также применяться коническая зубчатая передача. Аналогичным образом, обыкновенные шестерни могут использоваться в дифференциальной зубчатой передаче, показанной на фиг. 1 и 2, двигателя.

В двигателях, которые приводятся в качестве примеров на фиг. 1-3 и 5, совмещены оси роликовых подшипников, которые соприкасаются с поверхностями кулачков с тремя рабочими выступами. Для дальнейшего улучшения характеристик крутящего момента оси роликовых подшипников могут быть смещены.

Двигатель со смещенным кулачком, который соприкасается с подшипниками, схематически показан на фиг. 7. На данной фигуре, которая является видом по центральному валу двигателя, показаны кулачок 86, кулачок 87, вращающийся в обратном направлении, и поршень 88. Поршень 88 включает в себя несущие бобышки 89 и 90, которые несут роликовые подшипники 91 и 92, подшипники показаны в контакте с рабочими выступами 93 и 99 соответственно кулачков с тремя рабочими выступами 86 и 87.

Из фиг. 7 следует, что оси 95 и 96 подшипников 91 и 92 смещены по отношению друг к другу и по отношению оси поршня. При расположении подшипников на определенном расстоянии от оси поршня увеличивается крутящий момент при помощи увеличения механического преимущества.

Деталь другого поршня со смещенными подшипниками на нижней стороне поршня приводится на фиг. 8. Поршень 97 показан с подшипниками 98 и 99, помещенными в корпуса 100 и 101 на нижней стороне поршня. Отсюда следует, что оси 102 и 103 подшипников 98 и 99 смещены, но не в такой степени, как смещены подшипники на фиг. 7. Отсюда следует, что более значительное разделение подшипников, как показано на фиг. 7, увеличивает крутящий момент.

Вышеописанные конкретные варианты осуществления изобретения относятся к двухтактным двигателям, следует отметить, что общие принципы относятся к двух- и четырехтактным двигателям. Ниже отмечается, что многие изменения и модификации могут производиться в двигателях, как показано в вышеприведенных примерах без отступления от пределов и объема изобретения.

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра, указанный модуль содержит вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу и второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальной зубчатой передачей к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала, по меньшей мере одну пару цилиндров, цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками с несколькими рабочими выступами, которые вставлены между ними, поршень в каждом цилиндре, поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны, в котором кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3 + n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом, и в котором возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами.

2. Двигатель по п.1, содержащий от 2 до 6 модулей цилиндра.

3. Двигатель по п. 1, содержащий две пары цилиндров на каждый модуль цилиндра.

4. Двигатель по п.3, в котором пары цилиндров расположены под углом 90o друг к другу.

5. Двигатель по п.1, в котором каждый кулачок имеет три рабочих выступа.

6. Двигатель по п.1, в котором каждый рабочий выступ является асимметричным.

7. Двигатель по п.1, в котором жесткая взаимосвязь поршней включает в себя четыре шатуна, проходящие между парой поршней с шатунами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня.

8. Двигатель по п.7, в котором для шатунов предусмотрены направляющие втулки.

9. Двигатель по п.1, в котором дифференциальная зубчатая передача установлена внутри двигателя совместно с кулачками, вращающимися в обратном направлении.

10. Двигатель по п.1, в котором дифференциальная зубчатая передача установлена с наружной стороны двигателя.

11. Двигатель по п.1, который является двухтактным двигателем.

12. Двигатель по п.1, в котором связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами осуществляется через роликовые подшипники.

13. Двигатель по п.12, в котором роликовые подшипники имеют общую ось.

14. Двигатель по п.12, в котором оси роликовых подшипников смещены по отношению друг к другу и оси поршня.

Приоритет по пунктам:18.07.95 по пп.1, 3 - 9, 11 - 14;30.10.95 по п.2;17.07.96 по п.10.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

www.findpatent.ru

Новые российские патенты (полные тексты)

RU (11) 2393361 (13) C2

(51)  МПК F02B53/02   (2006.01)F02B55/16   (2006.01)F01C1/077   (2006.01) (12)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 28.06.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2008127811/06, 10.07.2008 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 10.07.2008 (43) Дата публикации заявки: 20.01.2010 (46) Опубликовано: 27.06.2010 (56) Список документов, цитированных в отчете опоиске: US 2349848 А, 30.05.1944. RU 2299990 С1, 27.05.2007. RU 2084641 С1, 20.07.1997. RU 2268368 С2, 20.01.2006. US 7255086 B2, 14.08.2007. US 6305345 B1, 23.10.2001. Адрес для переписки: 127560, Москва, ул. Плещеева, 18, кв.136, В.Ю. Тарасову (72) Автор(ы): Блатов Ростислав Александрович (RU) (73) Патентообладатель(и): Блатов Ростислав Александрович (RU),Тарасов Валерий Юрьевич (RU)

ОДНОЦИЛИНДРОВЫЙ МНОГОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

(ТОР БЛАТОВА) (57) Реферат: Изобретение относится к двигателестроению. Одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит дискообразный охлаждаемый корпус, боковые крыши, тороидальный круговой цилиндр с окнами всасывания и выхлопа и два блока поршней, кинематически связанных между собой посредством механизма синхронизации. Механизм синхронизации включает шатунно-кривошипные механизмы с сателлитами и неподвижным зубчатым колесом, непосредственно закрепленным на корпусе двигателя. Окна выхлопа имеют форму продольных щелей в стенке цилиндра и на начальном участке имеют увеличенную площадь. Ведомый и ведущий поршневые блоки выполнены плавающими в цилиндре без подшипниковых опор на вал двигателя или его корпус. Поршни, круглые в своем поперечном сечении и уплотненные компрессионными кольцами, соединены в поршневые блоки с помощью тонких соединительных колец, которые выведены в картер двигателя через щель в охлаждаемой гильзе цилиндра. Соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра и боковой поверхностью поршней. Ведомый поршневой блок соединен с маховиком своим соединительным кольцом через зубчатую полумуфту с бочкообразным зубом. Ведущий блок поршней через свое соединительное кольцо и шатуны связан со штырями кривошипов и совершает вращательно-колебательное движение. Валы кривошипов соединены с сателлитами и проходят сквозь отверстия в маховике, связанном с выходным валом. Техническим результатом является повышение надежности и уменьшение габаритов двигателя. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.Известен роторный двигатель (RU, пат. 2268368 F01С 1/077, 2006), с блоком тороидальных цилиндров и блоком тороидальных поршней, имеющих возможность совершать возвратно-поступательное движение внутри цилиндров и вращаться в одну сторону с блоком цилиндров от пары некруглых шестерен. К недостаткам двигателя можно отнести вращение цилиндрового блока, кроме вращения поршней, наличие обгонной муфты, использование некруглых шестерен в узле синхронизации движения цилиндров и поршней и резкие изменения угловых скоростей шестерен и соответственно инерционных нагрузок в приводимых ими устройствах.Известен роторный двигатель (RU, пат. 2042037 6 F02В 53/00, 1995), с кольцеобразным тороидальным цилиндром, разделенным подпружиненными заслонками с поворотными рычагами управления, дисковым ротором с поршнями и каналами подвода рабочего тела к средствам его впрыска на днищах поршней. Рабочим телом могут быть пар, сжатый воздух, продукты сгорания топлива. При всей простоте кинематической схемы двигателя в конструкции имеется ряд существенных недостатков, ограничивающих область его применения. Заслонки, пружины, рычаги с возвратно-поступательным движением и привод их от поршня требуют определенного пространства для своего размещения и только по этому уже ограничивают возможности по увеличению количества поршней на одном роторе. Кроме того, рост количества этих механизмов снижает надежность работы двигателя. Для повышения крутящего момента на валу двигателя и наращивании его мощности необходима установка дополнительных роторов. Двигатель имеет сложную систему подвода рабочего тела в рабочую камеру через движущиеся элементы конструкции.Наиболее близкой к изобретению по устройству и кинематической схеме является объемная машина (RU, пат. 2084641 6 F01С 9/00, F03С 4/00, 1997) при работе ее в режиме 4-тактного двигателя – прототип. Машина содержит цилиндрический корпус с крышками, с всасывающими и выхлопными окнами, соосные втулки с лопастными поршнями, установленные внутри корпуса с образованием рабочих камер, механизм синхронизации движения соосных втулок с поршнями, содержащий тяги, сателлит с диаметрально расположенными кривошипами, водило, жестко соединенное с выходным валом, и солнечное колесо, соединенное с крышкой. Механизм синхронизации размещен в полости втулок.Недостатком прототипа является большая ширина и соответственно внешняя поверхность соосных втулок, в результате чего, при рабочем ходе, в полость рабочих втулок, через их наружные стенки, не имеющих охлаждения, проникает значительный тепловой поток, способный привести к нарушению теплового режима работы механизма синхронизации и его смазки.Недостатком прототипа является длинный периметр уплотнения прямоугольных поршней и торцев соосных втулок. Уплотнение прямоугольных поршней в двигателях внутреннего сгорания более сложно и менее надежно, чем уплотнение круглых поршней обычными компрессионными кольцами.Недостатком прототипа является то, что соосные втулки с лопастными поршнями, приводимые в движение диаметрально расположенными своими кривошипами через тяги, имеют колебательные движения относительно друг друга. При вращении вала двигателя они имеют разные ускорения при прохождении концов кривошипов через линии радиуса цилиндрического корпуса (один ближе к оси, другой – к втулке, что образует разные и противоположно направленные окружные скорости в точках соединения с тягами). Это вызывает ни чем не уравновешенные, инерционные колебательные нагрузки на движущиеся детали механизмов.Недостатком прототипа является соединение солнечного колеса с неподвижной крышкой цилиндрического корпуса через неподвижный вал, соосный с выходным, что не позволяет сделать двухсторонний выход выходного вала. Это накладывает определенные ограничения на компановку и расположение внешних агрегатов, необходимых для работы двигателя.В прототипе не определены базовые конструктивные элементы и их параметры для модификации мощностных характеристик двигателя на стадии его проектирования.Предлагаемым изобретением решаются задачи:повышения надежности работы двигателя, уменьшения числа механизмов синхронизации и, соответственно, поперечных габаритов двигателя, устройства двухстороннего выхода выходного вала, выделения базовых конструктивных элементов двигателя для модификации мощности и вращающего момента на выходном валу двигателя при его проектировании.Поставленные задачи решаются тем, что одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания имеет тороидальный круговой цилиндр с окнами всасывания и выхлопа с охлаждаемой гильзой и два плавающих в ней кинематически связанных поршневых блока с образованием рабочих камер. Поршни представляют собой сегменты тора и уплотнены компрессионными кольцами, показавшими свою надежность в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Движения поршневых блоков выводятся в картер двигателя для связи с маховиком и механизмами синхронизации тонкими соединительными кольцами сквозь щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, что значительно снижает тепловой поток из рабочих камер в полость картера. Ведомый поршневой блок с помощью зубчатой полумуфты непосредственно соединен с маховиком двигателя и вращается с ним равномерно, что исключает необходимость в одном из диаметрально расположенных кривошипов прототипа. Соответственно упрощается и водило – в нем исключается один из двух выходов оси сателлита к кривошипам и стенка, содержащая этот выход. Функция водила возлагается на маховик, путем размещения в нем оставшейся оси кривошипа, что дополнительно позволяет сместить неподвижное зубчатое колесо (солнечное колесо) к стенке корпуса двигателя и соединить его непосредственно, без вала, с корпусом. Это открывает возможность для создания конструкции корпуса двигателя с двухсторонним выходом выходного вала.Для изменения величины мощности и крутящего момента на выходном валу двигателя при его разработке или модификации задаются базовые характеристики двух элементов: число поршней в поршневом блоке – n; передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо – сателлит i=Z2/Z1, которое должно быть целым и четным, где Z1 – число зубьев сателлита, Z2 – число зубьев неподвижного зубчатого колеса.Эти параметры определяют следующие характеристики двигателя: число групп окон всасывания – выхлопа WG=i/2; число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=i/2; число рабочих ходов за один оборот выходного вала двигателя К1=(i/2)*n.Таким образом одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий дискообразный охлаждаемый корпус, с боковыми крышками, с тороидальным круговым цилиндром с окнами всасывания и выхлопа, двумя блоками поршней, размещенных в цилиндре с образованием рабочих камер и возможностью вращения и колебания, кинематически связанных между собой посредством механизма синхронизации, включающего шатунно-кривошипные механизмы с сателлитами и неподвижным зубчатым колесом, непосредственно закрепленным на корпусе двигателя, вал двигателя имеет двухсторонний выход из корпуса двигателя, отличается тем, что окна выхлопа, имеющие форму продольных щелей в стенке цилиндра, на начальном участке имеют увеличенную площадь, ведомый и ведущий поршневые блоки выполнены плавающими в цилиндре без подшипниковых опор на вал двигателя или его корпус, поршни, круглые в своем поперечном сечении и уплотненные компрессионными кольцами, соединены в поршневые блоки с помощью тонких соединительных колец, которые выведены в картер двигателя через щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра и боковой поверхностью поршней, ведомый поршневой блок прямо соединен с маховиком своим соединительным кольцом через зубчатую полумуфту с бочкообразным зубом и вращается с ним равномерно, ведущий блок поршней через свое соединительное кольцо и шатуны связан со штырями кривошипов и совершает вращательно-колебательное движение, шатунно-кривошипные механизмы синхронизации равномерно расположены на орбите своего движения в картере двигателя, симметрично относительно оси выходного вала, а движения их элементов оппозитны, валы кривошипов, соединенные с сателлитами, проходят сквозь отверстия в маховике, связанном с выходным валом.Работа двигателя происходит в режиме 4-тактного цикла в соответствии с базовыми характеристиками: n – число поршней в поршневом блоке, i – передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо – сателлит, а модификации двигателя различаются: числом рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=i/2, числом рабочих ходов, происходящих за один оборот выходного вала K1=(i/2)*n, числом групп окон всасывания – выхлопа WG=i/2.Иллюстрации. На Фиг.1 изображен вид сбоку на двигатель, его детали и механизмы. На Фиг.2 показан разрез А-А на Фиг.1. На Фиг.3 изображен вид сбоку на ведомый поршневой блок. На Фиг.4 изображен вид сбоку на ведущий поршневой блок. На Фиг.5 схематически показаны положения двух взаимодействующих поршней 5 и 8 из ведомого и ведущего поршневых блоков на конец каждого такта 4-тактного цикла работы двигателя при частичном мультицикле.На Фиг.6 представлен график в координатах t-0- изменения угловых скоростей (1) ведомого и (2) ведущего поршневых блоков во времени (t) за один 4-тактный цикл работы рабочей камеры двигателя. На Фиг.7 показана схема звеньев замыкания силовой цепи ведомого и ведущего поршневых блоков при рабочем ходе. На Фиг.8 показана схема расположения поршней и окон всасывания – выхлопа 4-х поршневых блоков в цилиндре на момент зажигания рабочей смеси при полном мультицикле.В состав двигателя входят следующие элементы:дискообразный охлаждаемый корпус с левой литой частью 1 и правой литой частью 2, с каналами охлаждения, с окнами всасывания и выхлопа, крышками 20, 21 подшипников.Тороидальный круговой цилиндр с тороидальной внутренней поверхностью, состоящий из двух частей 3 и 4, с группами окон 25 и 26 выхлопа и всасывания, совпадающими с аналогичными отверстиями в корпусе двигателя, с плоской щелью с внутренней стороны гильзы цилиндра для выхода соединительных колец 6 и 9 блоков поршней в картер двигателя 31.Два поршневых блока, ведомого и ведущего, поршни 5 и 8 которых, круглые в поперечном сечении, связаны в блоки с помощью соединительных колец 6 и 9 с проушинами и поршневых пальцев 7 и 10, имеют гибкую связь с валом двигателя и связанно плавают в тороидальном цилиндре.Поршни представляют собой сегменты тора, по боковой поверхности совпадающие с поверхностью торообразного цилиндра. Головки поршней 5 и 8 имеют сферические выемки для образования камер сгорания рабочей смеси, круглые компрессионные кольца 23, а с противоположной стороны, у юбок поршней, установлены маслосъемные кольца 24.Соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра, и проушины для соединения их с помощью поршневых пальцев 7 и 10 с поршнями. Соединительные кольца также воспринимают центробежные силы, действующие на поршни при их вращении в цилиндре, уменьшая износ трущихся поверхностей поршней и цилиндра.Для обеспечения некоторой свободы и самоустановки поршней при движении их в цилиндре они имеют возможность поперечного перемещения с пальцами 7 и 10 в проушинах соединительных колец. Кольцо ведущего поршневого блока на боковой поверхности имеет оси 11 для соединения с головками шатунов.Динамические рабочие камеры 22. Взаимодействующие элементы двигателя – головки поршней 5 и 8, из ведомого и ведущего блоков поршней со встречными сферическими выемками на торцах и внутренние поверхности частей 3, 4 цилиндра образуют динамические, перемещающиеся по кругу рабочие камеры, в которых происходят рабочие процессы двигателя.Орбитальные шатунно-кривошипные механизмы с шатунами 12, кривошипами 13 с валами, проходящими сквозь маховик, и соединенными с ними сателлитами 16 с числом зубьев Z1. Одна головка шатуна с помощью оси 11 связана с соединительным кольцом 9 ведущего блока поршней, а другая – со штырем 14 кривошипа 13. Сателлиты 16 находятся в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом 17. Шатунно-кривошипные механизмы вращаются на орбите движения внутренних частей соединительных колец поршневых блоков и зубчатой полумуфты, находящихся в картере двигателя. Механизмы располагаются равномерно на орбите своего движения, симметрично относительно оси вала двигателя, а движения их элементов оппозитны, что позволяет уравновешивать центробежные силы от движения и колебаний их элементов. Количество механизмов может быть четным или не четным (но более одного) и зависит от мощности и габаритов двигателя. Шатунно-кривошипные механизмы являются механизмами синхронизации движения поршневых блоков в тороидальном круговом цилиндре для создания 4-тактного мультицикла работы двигателя. Эксцентриситет штырей кривошипов влияет на колебательный ход поршней ведущего поршневого блока и степень сжатия рабочей смеси.Неподвижное зубчатое колеса 17 с числом зубьев Z2, закрепленное на левой части 1 корпуса двигателя.Зубчатая полумуфта для передачи мощности двигателя на маховик 15 и выходной вал 18, состоящая из зубьев на внутренней части соединительного кольца 6 ведомого блока поршней и зубьев 29 бочкообразной формы на наружной части маховика 15. Такое соединение кольца ведомого блока с маховиком допускает небольшие боковые и радиальные биения и перекосы кольца, вызванные силовыми и тепловыми деформациями кольца при работе двигателя, кроме того, зубчатая муфта позволяет проводить начальную установку и регулировку поршневых блоков и шатунно-кривошипных механизмов.Маховик 15, закрепленный на выходном валу 18.Двухсторонний выходной вал 18, с подшипниками 19.Картер 31.Форсунки 27 подачи топлива.Свечи 28 зажигания (при необходимости).С помощью шатунно-кривошипных механизмов, сателлитов 16 и неподвижного зубчатого колеса 17 осуществляется синхронизация движения поршневых блоков таким образом, что в определенных, фиксированных участках тора в рабочих камерах выполняются такты 4-тактного цикла двигателя. 4-тактный цикл в рабочей камере выполняется за 2 оборота кривошипа. Положение этих участков и их количество могут изменяться в зависимости от числа поршней в поршневых блоках и передаточного отношения числа зубьев Z2 колеса к числу зубьев Z1 сателлита.Для описания работы данного изобретения необходимо ввести понятия работы двигателя внутреннего сгорания в целом в режимах 4-тактного частичного или полного мультицикла.Частичный мультицикл: 4-тактный цикл работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром (Фиг.1, Фиг.2) и базовыми характеристиками, например, n=4 и i=4. При данных характеристиках в рабочих камерах 22 цилиндра за каждые 2 оборота кривошипа одновременно выполняются по 2 пары одинаковых тактов 4-тактного цикла в последовательности: 2 рабочих хода и 2 всасывания, 2 выхлопа и 2 сжатия.Конструкция двигателя, представленная на Фиг.1, Фиг.2, имеет следующие базовые и мощностные характеристики: число поршней в поршневых блоках n=4; передаточное отношение неподвижного зубчатого колеса и сателлита i=4; число групп окон всасывания – выхлопа WG=2; число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=2; число рабочих ходов за один оборот выходного вала K1=8; режим работы – частичный мультицикл.Работа двигателя происходит следующим образом: при вращении вала 18 по часовой стрелке (Фиг.1) вращается маховик 15 (Фиг.1, Фиг.2) и соединенный с ним через кольцо 6 ведомый поршневой блок 5. Проходящий через маховик вал кривошипа 13 и сателлит 16 обкатываются по неподвижному зубчатому колесу 17, вызывая вращение кривошипа и колебания шатуна 12. Вращение маховика и колебания шатуна создают вращательно-колебательное движение соединительного кольца 9 ведущего поршневого блока 8 в цилиндре двигателя, выполняя совместно с равномерным вращением поршней 5 ведомого блока в рабочих камерах 22 четыре такта рабочего процесса двигателя за 2 оборота кривошипа. За каждый оборот кривошипа ведущий поршневой блок проходит два положения, в которых его угловая скорость равна угловой скорости ведомого блока поршней (точки пересечения прямой 1 и кривой 2 на Фиг.6). Первое положение, в котором объем рабочих камер 22 минимальный, будем называть задней мертвой точкой (ЗМТ), а второе положение, в котором объем рабочих камер максимальный – передней мертвой точкой (ПМТ). На Фиг.1 изображено положение поршневых блоков в середине тактов "Рабочий ход (Рх)" для верхней камеры 22 (по положению на Фиг.1) и диаметрально ей противоположной и "Всасывание (Вс)" для нижней камеры 22 и диаметрально ей противоположной. Скорость ведущего поршневого блока в этот момент имеет максимальное значение (кривые "Рх" и "Вс", Фиг.6). При дальнейшем расширении продуктов сгорания рабочей смеси происходит увеличение объема рабочих камер 22 и движение поршневых блоков по часовой стрелке с разными скоростями. По достижению штырем 14 кривошипа 13 ПМТ, а рабочими камерами своего максимального значения, в верхней рабочей камере и ей противоположной головками поршней 8 ведущего блока открываются отверстия 25 выхлопа в части увеличенного их сечения на начальном участке и начинается процесс выхлопа отработанных газов под давлением рабочей среды, в нижней камере и ей противоположной головками поршней 5 ведомого блока закрываются отверстия 26 всасывания и начинается процесс сжатия воздушной смеси. После прохождения штырем кривошипа ПМТ угловая скорость движения ведущего блока становится меньше угловой скорости ведомого блока (кривые "Вых" (такт "Выхлоп") и "Сж" (такт "Сжатие") Фиг.6). Головки поршней блоков начинают сближаться, выталкивая в двух рабочих камерах отработанные газы в выхлопные отверстия, а в двух других рабочих камерах сжимая воздушную смесь. За некоторое время до достижения ведущим блоком ЗМТ в камеры со сжатой воздушной смесью через форсунки 27 впрыскивается топливо, а в двух других камерах заканчивается процесс выхлопа отработанных газов и головками поршней 5 закрываются отверстия 25 выхлопа. Вблизи ЗМТ в двух рабочих камерах со сжатой воздушно-топливной смесью свечами 28 производится ее воспламенение и начинается такт "Рабочий ход", а в двух других рабочих камерах такт "Всасывание", далее термодинамический цикл работы двигателя повторяется. Таким образом, в режиме частичного мультицикла в двух рабочих камерах двигателя из 4 за 2 оборота кривошипа одновременно происходят такты "Рабочий ход", а в двух других камерах – такты "Всасывание" воздушной смеси. За следующие 2 оборота кривошипа в двух рабочих камерах из 4 одновременно происходят такты "Выхлоп" отработанных газов и в двух других камерах – такты "Сжатие" воздушной смеси. Не рабочие камеры 30, образуемые юбками поршней поршневых блоков, вентилируются через всасывающие, выхлопные или специальные отверстия.Схема замыкания звеньев силовой цепи ведомого и ведущего поршневых блоков при рабочем ходе показана на Фиг.7. Силы F, действующие на поршень 5 через соединительное кольцо и маховик 15, действуют в виде силы F1 на центр 32, оси кривошипа 13, а силы F, действующие на поршень 8, через соединительное кольцо, шатун 12 (сила F2), штырь кривошипа создают вращательный момент на сателлите 16. В результате действия сил F1 и F2 сателлит обкатывается по часовой стрелке вокруг неподвижного зубчатого колеса 17, вращая в том же направлении маховик.Смазка трущихся поверхностей соединительных колец поршневых блоков и поверхностей поршней с цилиндром может осуществляться маслом из картера двигателя под напором центробежных сил через специальные канавки в поверхностях трения соединительных колец и внутрипоршневые каналы.Двигатель (Фиг.1, Фиг.2) может также работать в режиме полного мультицикла при изменении передаточного отношения i и соответственно WG.Полный мультицикл: 4-тактный цикл работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром и базовыми характеристиками, например, n=4 и i=8. При подобных базовых характеристиках во всех 4 рабочих камерах 22 цилиндра за каждые два оборота кривошипа одновременно выполняются 4 одинаковые такта 4-тактного цикла в последовательности: 4 рабочих хода, 4 выхлопа, 4 всасывания, 4 сжатия.При данном режиме работы двигатель будет иметь следующие характеристики:- число поршней в поршневых блоках n=4;- передаточное отношение зубчатого колеса и сателлита i=8;- число групп окон всасывания – выхлопа WG=4;- число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=4;- число рабочих ходов за один оборот выходного вала K1=16.На Фиг.8 показана схема расположения поршней 4-х поршневых блоков и окон всасывания – выхлопа в тороидальном цилиндре на момент зажигания рабочей смеси при полном мультицикле.Представленные материалы показывают технические преимущества данного изобретения по сравнению с аналогами и прототипом, а также принципиально новые технические решения для создания и модернизации многопоршневых двигателей внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром. Формула изобретения 1. Одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий дискообразный охлаждаемый корпус с боковыми крышками, с тороидальным круговым цилиндром с окнами всасывания и выхлопа, двумя блоками поршней, размещенных в цилиндре с образованием рабочих камер и возможностью вращения и колебания, кинематически связанных между собой посредством механизма синхронизации, включающего шатунно-кривошипные механизмы с сателлитами и неподвижным зубчатым колесом, непосредственно закрепленном на корпусе двигателя, вал двигателя имеет двухсторонний выход из корпуса двигателя, отличающийся тем, что окна выхлопа, имеющие форму продольных щелей в стенке цилиндра, на начальном участке имеют увеличенную площадь, ведомый и ведущий поршневые блоки выполнены плавающими в цилиндре без подшипниковых опор на вал двигателя или его корпус, поршни, круглые в своем поперечном сечении и уплотненные компрессионными кольцами, соединены в поршневые блоки с помощью тонких соединительных колец, которые выведены в картер двигателя через щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра и боковой поверхностью поршней, ведомый поршневой блок прямо соединен с маховиком своим соединительным кольцом через зубчатую полумуфту с бочкообразным зубом и вращается с ним равномерно, ведущий блок поршней через свое соединительное кольцо и шатуны связан со штырями кривошипов и совершает вращательно-колебательное движение, шатунно-кривошипные механизмы синхронизации равномерно расположены на орбите своего движения в картере двигателя симметрично, относительно оси выходного вала, а движения их элементов оппозитны, валы кривошипов, соединенные с сателлитами, проходят сквозь отверстия в маховике, связанном с выходным валом.2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что работа двигателя происходит в режиме 4-х тактного цикла в соответствии с базовыми характеристиками: n – число поршней в поршневом блоке, i – передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо – сателлит, а модификации двигателя различаются: числом рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно KS=i/2, числом рабочих ходов, происходящих за один оборот выходного вала K1=(i/2)·n, числом групп окон всасывания – выхлопа WG=i/2.

Прочие российсике патенты из категории Изобретения.

partkom.com


Смотрите также