Способ преобразования движения поршней и двигатель внутреннего сгорания
METHOD OF PISTONS MOTION CONVERSION AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может применяться на различном виде транспорта, машинах и оборудовании.
Полное название изобретения: Способ преобразования возвратно-поворотного движения и вращения поршней во вращательное движение вала и двигатель внутреннего сгорания.
Известен роторно-поршневой двигатель (патент RU №2293848 С2, F01C 1/44, 2007), содержащий торцевые крышки с выемками, ротор с пазами и торцевыми стенками с отверстиями, поршни с фиксирующими и направляющими пальцами, шатуны, кривошипы с осями и шипами, диски с отверстиями, шайбами, в котором качания кривошипов посредством шатунов преобразуются в радиальные перемещения поршневых пальцев, которые в свою очередь двигают связанные с ним поршни.
Недостатком указанного двигателя является использование кривошипно-шатунного механизма, у которого низкий КПД преобразования энергии давления газов во вращательный момент вала из-за переменной длины плеча (от нуля до размера радиуса кривошипа) силы давления поршня на кривошип вала, т.е. длина плеча силы давления поршня на кривошип вала минимальная при максимальной силе давления газов в начале процесса горения рабочей смеси и максимальная длина плеча при минимальной силе давления газов в конце процесса горения, что является главным недостатком всех кривошипно-шатунных механизмов, используемых для получения крутящего момента в двигателях внутреннего сгорания
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции, уменьшение массы, устранение вибрации и увеличение тактов рабочих процессов за один оборот вала и создание постоянно близкой к максимальной длины плеча давления газов на поршень двигателя.
Задача решается тем, что способ преобразования возвратно-поворотного движения и вращения поршней во вращательное движение вала осуществляется в двигателе внутреннего сгорания, в котором обеспечивают возможность сжигания топлива при повышенном давлении и воздействуют давлением сгораемой рабочей смеси на поршни, установленные между шлицами ротора, жестко соединенного с валом пропущенного через центр основания для получения крутящего момента. Ротор с поршнями помещен в блок поршней, состоящий из двух жестко соединенных между собой закрывающей их с одного торца плоской поверхностью, соосных расположенных одна в другой с равными фокусными расстояниями овальных цилиндрических поверхностей, закрытых снизу основанием и диском ротора. Блок поршней закреплен на основании.
(
Согласно изобретению способ преобразования возвратно-поворотного движения и вращения поршней во вращательное движение вала характеризуется тем, что ротор имеет возможность совершать вращательное движение и жестко соединен с валом, который пропущен через центр основания для получения крутящего момента, с установленными по одному между его шлицами поршнями, имеющими возможность совершать возвратно-поворотное движение на своих двух цилиндрических поверхностях с разными радиусами из одного центра, между такими же двумя цилиндрическими поверхностями шлицев с разными радиусами из одного центра, расположенными на одинаковом расстоянии от центра ротора и один от другого, вперед с малым радиусом по ходу вращения ротора, установлен в блок поршней, между двумя жестко соединенными между собой закрывающей с одного торца плоской поверхностью, соосными, расположенными одна в другой с равными фокусными расстояниями овальными цилиндрическими поверхностями, закрытыми с другого торца основанием и диском ротора, блок поршней установлен и закреплен на основании, овальные цилиндрические поверхности блока поршней имеют по три отверстия, по одному отверстию для выпуска отработанных газов, вторые отверстия для впуска рабочей среды и третьи отверстия для установки свечи зажигания в случае использования рабочей смеси в качестве рабочей среды, а в случае использования воздуха в качестве рабочей среды третьи отверстия выполняют для установки форсунки для впрыска топлива, общий для всех шлицев наружный их диаметр выполнен на некоторую величину меньше длины малой оси внутренней поверхности наружного овального цилиндра блока поршней, и общий для всех шлицев внутренний их диаметр выполнен на некоторую величину больше длины большой оси наружной поверхности внутреннего овального цилиндра блока поршней, чем образуют щели для пропуска сжатой рабочей среды из камеры сжатия в камеру сгорания, которые одновременно являются предкамерами, высота поршней, шлицев ротора и овальных цилиндрических поверхностей блока поршней выполнены равными между собой, изгибы передних наружных овальных поверхностей поршней выполнены совпадающими с изгибом овала внутренней поверхности наружного овального цилиндра блока поршней от его выпускного отверстия до малой оси по ходу вращения ротора, и изгибы передних внутренних овальных поверхностей выполнены совпадающими с изгибом овала наружной поверхности внутреннего овального цилиндра блока поршней от его выпускного отверстия до большой оси по ходу вращения ротора, поршни в блоке поршней совершают одновременно возвратно-поворотное движение между двумя цилиндрическими поверхностями шлицев ротора и вращательное движение с ротором между двумя овальными цилиндрическими поверхностями блока поршней и при этом, находясь в постоянном скользящем контакте с ними, своими цилиндрическими поверхностями с одним центром и одним диаметром, равным расстоянию между овальными цилиндрическими поверхностями по осям блока поршней, каждый с последующим образуют между внутренней овальной поверхностью наружного овального цилиндра блока поршней и наружной цилиндрической поверхностью шлицев ротора четыре переменного объема камеры снаружи ротора и наружной овальной поверхностью внутреннего овального цилиндра блока поршней и внутренней цилиндрической поверхностью шлицев ротора четыре переменного объема камеры внутри ротора, при вращении ротора поршни проходят впускные отверстия и за своими задними цилиндрическими поверхностями образуют увеличивающиеся в объеме по ходу вращения всасывающие камеры, куда поступает рабочая среда, при дальнейшем вращении ротора следующие поршни проходят впускные отверстия и отсекают от впускных отверстий поступившую рабочую среду и одновременно за собой образуют следующие впускные камеры, дальше эти камеры, после поступления максимального объема рабочей среды, превращаются в уменьшающиеся в объеме сжимающие камеры, где рабочая среда сжимается до объема предкамеры, и проходят с предкамерой в следующие образовавшиеся и увеличивающиеся в объеме по ходу вращения камеры сгорания, где в сжатый воздух подают топливо через форсунку в случае использования воздуха в качестве рабочей среды, а в случае использования рабочей смеси в качестве рабочей среды рабочую смесь сжигают с помощью свечи зажигания, и давление сгораемых газов оказывает действие на задние цилиндрические поверхности поршней, которые в свою очередь действуют на ротор, вращая его вместе с валом, после передачи максимально возможного крутящего момента на вал поршни проходят выпускные отверстия, и камеры сгорания превращаются в камеры выпуска отработанных газов, при дальнейшем вращении ротора следующие за ними поршни, при уменьшении объемов выпускных камер, вытесняют отработанные газы через выпускные отверстия наружу и дальше снова повторяют процесс впуска между двумя поршнями, таким образом, между четырьмя поршнями происходят восемь тактов впуска, восемь тактов сжатия, восемь тактов сгорания рабочей смеси и восемь тактов выпуска отработанных газов за один оборот ротора, которые приводят его во вращательное движение вместе с жестко соединенным с ним валом.
Согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для осуществления способа преобразования возвратно-поворотного движения и вращения поршней во вращательное движение вала, характеризуется тем, что ротор имеет возможность совершать вращательное движение и жестко соединен с валом, который пропускают через центр основания для получения крутящего момента, с установленными между его шлицами поршнями, имеющими возможность совершать возвратно-поворотное движение на своих двух цилиндрических поверхностях с разными радиусами из одного центра, между такими же двумя цилиндрическими поверхностями шлицев ротора с разными радиусами из одного центра, расположенными на одинаковом расстоянии от центра ротора и один от другого вперед с малым радиусом по направлению вращения ротора, установлен в блок поршней между двумя жестко соединенными между собой закрывающей их с одного торца плоской поверхностью, соосными, расположенными одна в другой с равными фокусными расстояниями овальными цилиндрическими поверхностями, закрытыми с другого торца диском ротора и основанием, блок поршней установлен и закреплен на основание, каждая овальная цилиндрическая поверхность блока поршней имеет по три отверстия, по одному отверстию для выпуска отработанных газов, вторые отверстия для впуска рабочей среды и третьи отверстия для установки свечи зажигания в случае использования рабочей смеси в качестве рабочей среды, а в случае использования воздуха в качестве рабочей среды третьи отверстия выполняют для установки форсунки для впрыска топлива, у шлицев ротора общий для всех наружный диаметр выполнен на некоторую величину меньше длины малой оси внутренней поверхности наружного овального цилиндра блока поршней, и общий для всех шлицев внутренний диаметр выполняют на некоторую величину больше длины большой оси наружной поверхности внутреннего овального цилиндра блока поршней для образования щели для пропуска сжатой рабочей среды из камеры сжатия в камеру сгорания, которые одновременно являются предкамерами, высота поршней, шлицев ротора и овальных цилиндрических поверхностей ротора выполнены равными между собой, изгибы передних наружных овальных поверхностей поршней выполнены совпадающими с изгибом овала внутренней поверхности наружного овального цилиндра блока поршней от его выпускного отверстия до малой оси по ходу вращения ротора, изгибы передних внутренних овальных поверхностей выполнены совпадающими с изгибом овала наружной поверхности внутреннего овального цилиндра блока поршней от его выпускного отверстия до большой оси по ходу вращения ротора, поршни находятся в постоянном скользящем контакте своими цилиндрическими поверхностями с одним центром и одним диаметром, равным расстоянию между овальными цилиндрическими поверхностями по осям блока поршней, с обеими овальными цилиндрическими поверхностями блока поршней и при этом образуют между собой и внутренней поверхностью наружного овального цилиндра блока поршней и наружной цилиндрической поверхностью шлицев ротора четыре переменного объема камеры снаружи ротора и между наружной поверхностью внутреннего овального цилиндра блока поршней и внутренней цилиндрической поверхностью шлицев ротора четыре переменного объема камеры внутри ротора, в которых одновременно и последовательно происходят все четыре такта рабочего процесса четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, приводящие во вращательное движение ротор и жестко соединенный с ним вал.
Предлагаемый двигатель может быть выполнен по схеме бензинового с зажиганием от свечи или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с воспламенением от сжатого воздуха (схема дизеля), в этом случае вместо свечи устанавливается форсунка для впрыска топлива.
Способ преобразования возвратно-поворотного движения и вращения поршней во вращательное движение вала и его осуществление поясняются устройством и работой двигателя внутреннего сгорания на фиг. 1 – 6.
На фиг. 1, и 2 в двух проекциях представлен принципиальный чертеж двигателя, в котором осуществляется способ преобразования возвратно-поворотного движения и вращения поршней 1 во вращательное движение вала 2 при вращении ротора 3, жестко соединенного с валом, против часовой стрелки; 4 - блок поршней, состоящий из двух жестко соединенных между собой закрывающей их с одного торца плоской поверхностью 5 соосных, расположенных одна в другой с равными фокусными расстояниями овальных цилиндрических поверхностей 6 и 7, закрытых с другого торца основанием 8 и диском 9 ротора; 6 - внутренняя поверхность наружного овального цилиндра блока поршней и 7 - наружная поверхность внутреннего овального цилиндра блока поршней. Каждый из овальных цилиндрических поверхностей имеет по три отверстия, отверстия 10 и 11 для выпуска отработанных газов, отверстия 12 и 13 для впуска рабочей среды и третьи отверстия 14 и 15 для установки свечи зажигания в случае использования рабочей смеси в качестве рабочей среды, а в случае использования воздуха в качестве рабочей среды третьи отверстия выполняют для установки форсунки для впрыска топлива. Блок поршней 4 закреплен на основание 8. В блок поршней установлен ротор 3 с поршнями 1, вал 2 которого пропущен через центр основания 8 для получения крутящего момента.
На фиг. 3 и 4 в двух проекциях показан ротор 3, жестко соединенный с валом 2, с которого снимают крутящий момент. На роторе устанавливают поршни 1, фиг. 5 и фиг. 6, которые вращаются вместе с ротором и одновременно совершают возвратно-поворотное движение в роторе между двумя цилиндрическими поверхностями 16 и 17 его шлицев 18 с радиусом R1 и R2 с одним центром, расположенными на одинаковом расстоянии от оси вала и на одинаковом расстоянии друг от друга. Поршни между шлицами устанавливаются по одному вперед с малым радиусом R1 по ходу вращения ротора. Высота Н шлицев 18 на роторе, фиг. 3, высота Н овальных цилиндрических поверхностей блока поршней, фиг. 1, и высота Н поршней, фиг. 6, равны между собой. У шлицев ротора общий для всех наружный диаметр 19, фиг. 4, выполнен на некоторые две величины 20, фиг. 2, меньше длины малой оси внутренней поверхности наружного овального цилиндра блока поршней, и общий для всех внутренний диаметр 21, фиг. 4, выполнен на некоторые две величины 22, фиг. 2, больше длины большой оси наружной поверхности внутреннего овального цилиндра блока поршней для образования щели для пропуска сжатой рабочей среды из камер сжатия 24 и 28 в камеры сгорания 25 и 29, которые одновременно являются предкамерами 31 и 32, фиг. 2; 41 и 42 - соответственно наружная и внутренняя цилиндрическая поверхность шлицев ротора.
На фиг. 5 и  6 в двух проекциях показан поршень 1, который имеет такие же две цилиндрические поверхности 33 и 34 с радиусами R1 и R2 с одним центром, на которых он имеет возможность совершать возвратно-поворотное движение между шлицами 18 ротора. Цилиндрическая поверхность 34 с радиусом R2 одновременно является задней цилиндрической поверхностью поршня, воспринимающей давление газов от сгорания рабочей смеси; 35 - передняя наружная овальная поверхность поршня, воспринимающая давление газов, кривизна которого совпадает с кривизной овала 36, фиг. 2, внутренней поверхности наружного овального цилиндра 6 блока поршней от его выпускного отверстия 10 до малой оси по ходу вращения ротора; 37 - передняя внутренняя овальная поверхность поршня, воспринимающая давление газов, кривизна которого совпадает с кривизной овала 38, фиг. 2, наружной поверхности внутреннего овального цилиндра 7 блока поршней от его выпускного отверстия до большой оси по ходу вращения ротора. Поршень имеет еще две цилиндрические поверхности 39 и 40 с одним центром и одним диаметром Д, равным расстоянию между овальными цилиндрическими поверхностями 6 и 7 по осям блока поршней 4, фиг. 2, с которыми поршни находятся в постоянном скользящем контакте, вращаясь вместе с ротором; 23, 24, 25, 26 - наружные камеры (снаружи ротора); 27, 28, 29, 30 - внутренние камеры (внутри камеры); 23, 27 - камеры всасывания рабочей среды по ходу движения поршней превращаются в камеры сжатия 24 и 28; 25, 29 - камеры сгорания рабочей смеси, по ходу движения поршней превращаются в камеры выпуска отработанных газов 26 и 30.
Двигатель работает следующим образом. Ротор 3 с установленными в нем поршнями 1 помещен в блок поршней 4, и вал 2 ротора пропущен через центр основания 8, и в этом положении поршни могут одновременно совершать возвратно-поворотное движение в роторе и вращательное движение в блоке поршней только при вращении ротора с жестко соединенным валом. Поршни, находясь в постоянном скользящем контакте с обеими овальными цилиндрическими поверхностями 6 и 7 и в одновременном возвратно-поворотном движении между двумя цилиндрическими поверхностями 16 и 17 шлицов 18 ротора и вращательном движении с ротором между двумя овальными цилиндрическими поверхностями блока поршней, и при этом каждый поршень с последующим образуют между внутренней поверхностью 6 наружного овального цилиндра блока поршней и наружной цилиндрической поверхностью шлицев ротора 41 четыре переменного объема камеры 23, 24, 25 и 26 снаружи ротора и между наружной поверхностью 7 внутреннего овального цилиндра блока поршней и внутренней цилиндрической поверхностью шлицев ротора 42 четыре переменного объема камеры 27, 28, 29 и 30 внутри ротора. В отверстия 14 и устанавливаются свечи зажигания в случае использования рабочей смеси в качестве рабочей среды, а в случае использования воздуха в качестве рабочей среды устанавливаются форсунки для впрыска топлива. Заводим двигатель, при этом исходное положение ротора может быть любым. Включаем стартер, и начинаем вращать вал с ротором и поршнями. При вращении ротора поршни 1 проходят впускные отверстия 12 и 13 и за своими задними цилиндрическими поверхностями 34 образуют увеличивающиеся в объеме по ходу вращения всасывающие камеры 23 и 27, куда поступает рабочая среда. При дальнейшем вращении ротора следующие поршни проходят впускные отверстия 12 и 13 и отсекают от впускных отверстий поступившую рабочую среду и одновременно за собой образуют следующие впускные камеры, дальше эти камеры 23 и 27, после поступления максимального объема рабочей среды, превращаются в уменьшающиеся в объеме камеры сжатия 24 и 28, где рабочая среда сжимается до объема предкамер 31 и 32, и проходят с предкамерой в следующие образовавшиеся и увеличивающиеся в объеме по ходу вращения камеры сгорания 25 и 29, где в сжатый воздух подают топливо через форсунку и полученная рабочая смесь сгорает, образуя давление, в случае использования воздуха в качестве рабочей среды, а в случае использования рабочей смеси в качестве рабочей среды сжатую рабочую смесь сжигают с помощью свечи зажигания и давление сгораемых газов оказывают действие на задние цилиндрические поверхности 34 поршней, которые в свою очередь воздействуют на ротор 3, вращая его вместе с валом 2. Если все в порядке, то двигатель завелся и дальше ротор с валом вращаются самостоятельно. После передачи максимально возможного крутящего момента на вал поршни проходят выпускные отверстия 10 и 11 и камеры сгорания 25 и 29 превращаются в уменьшающиеся в объеме камеры выпуска отработанных газов 26 и 30. При дальнейшем вращений ротора следующие поршни при уменьшении объемов выпускных камер 26 и 30 вытесняют отработанные газы наружу через выпускные отверстия 10 и 11. Дальше снова повторяются процессы впуска рабочей среды между двумя поршнями и, таким образом, между четырьмя поршнями происходят восемь тактов впуска, восемь тактов сжатия, восемь тактов сгорания рабочей смеси и восемь тактов выпуска отработанных газов за один оборот вала, которые приводят во вращательное движение ротор 3 и жестко соединенный с ним вал 2.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в простоте конструкции двигателя, нет сложной системы кривошипно-шатунного механизма и газораспределения с кулачковыми валами и клапанами, уменьшается масса, нет вибрации из-за по парного возвратно-поворотного движения поршней в противоположных направлениях, увеличивается количество тактов рабочих процессов за один оборот вала двигателя и получается постоянно близкая к максимальной длина плеча давления газов на поршень двигателя.