Сферический двигатель внутреннего сгорания
SPHERICAL INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Из уровня техники известен Паровой двигатель Тауэра [https://geektimes.ru/post/279724/, опубл. 31.08.2016 г.], содержащий сферический корпус, внутри которого смонтирован диск вращения и изменения объема, на диск с двух сторон шарнирно опираются полусферические элементы, соединенные с валами отбора мощности, в корпусе выполнены отверстия для подачи и выпуска пара.
Недостатками аналога являются сложность в изготовлении, обусловленная высокими требованиями к допускам размеров и зазоров, сложность сборки, обусловленная кинематикой механизма, сложный тепловой режим механизма.
Известен сферический двигатель, раскрытый в патенте RO 121611 В1, (кл. F02B 53/02, 30.04.2004), содержащий коленчатый вал и корпус с внутренней сферической камерой, внутри которого расположен колебательный поршень, выполненный в виде сегмента сферы, диаметр основания которого равен диаметру сферы. Сегмент сферы разделяет сферическую камеру на две рабочие камеры. При этом при вращении сегмента сферы объем рабочей камеры увеличивается и уменьшается, при этом, в двигателе осуществляться цикл Дизеля.
Недостатками заявленного решения являются недолговечные уплотнения и система смазки, технологическая сложность изготовления деталей двигателя, сложность сборки и регулировки, сложности охлаждения деталей двигателя.
Известен сферический двигатель внутреннего сгорания, раскрытый в патенте 2227211 (кл. F01C 3/06, 20.04.2004), содержащий разъемный корпус, сферическую полостью, в которой расположена подвижная дисковая перегородка, первый ротор закрепленный на валу, опирающемся на подшипники в расточке корпуса и являющемся выходным, второй ротор закрепленный с возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала, несущей ротор, и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости таким образом, что роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема, сообщающиеся посредством окон и каналов, при этом сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором.
Недостатки технологическая сложность изготовления деталей двигателя, сложность сборки и регулировки, большой момент инерции движущихся масс, сложности охлаждения деталей двигателя (гильза 4), большое количество движущихся деталей и связанные с ними механические потери.
Заявленное техническое решение направлено на решение задачи создания малогабаритного сферического двигателя внутреннего сгорания с высокой удельной мощностью и большим ресурсом, с возможностью реализации работы как по циклу Отто, так по циклу Дизеля.
Технические результаты заявленного изобретения заключаются в повышении удельных показателей мощности и компактности (удельный агрегатный вес и удельный агрегатный объем), а также улучшении ремонтопригодности и увеличении ресурса двигателя.
Заявленные технические результаты достигаются благодаря тому, что сферический двигатель внутреннего сгорания, содержит разъемный неподвижный корпус с внутренней сферической камерой, внутри которой расположены две рабочие камеры, впускные и выпускные каналы, газораспределительный механизм, при этом неподвижный разъемный корпус состоит из блока и головки блока, в которых расположены полусферы внутренней сферической камеры, при этом в головке блока установлен сектор, содержащий две камеры сгорания, который кинематически связан при помощи зубчатой передачи с газораспределительным механизмом десмодромного типа, а в блоке размещены шаровой пояс с жестко закрепленным фрикционным диском, разделяющий внутреннюю сферическую камеру двигателя на три не сообщающиеся части: две рабочие камеры и картер двигателя, коленчатый вал с консольным расположением поясной шейки и подпружиненное кольцо, выполненное с возможностью давления на фрикционный диск с образованием системы синхронизации, при этом центр сферической камеры расположен на пересекающихся осях шарового пояса, сектора и коленчатого вала, а шаровой пояс и сектор соединены между собой и выполнены с возможностью вращения вместе с коленчатым валом, на котором жестко закреплен маховик.
Заявленное техническое решение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 и 2 Сферический двигатель внутреннего сгорания - продольное сечение.
Фиг. 3 Газораспределительный механизм сечение по оси выпускного канала.
Фиг. 4 Аксонометрическое изображение системы уплотнения.
Фиг. 5 Аксонометрическое изображение и разрез коленчатого вала.
Фиг. 6 Аксонометрическое изображение и разрез пояса.
Фиг. 7 Аксонометрическое изображение и разрез сектора.
Фиг. 8 Геометрическая модель силового механизма.
Фиг. 9 Передаточная функция силового механизма.
Фиг. 10 Диаграмма газораспределения сферического двигателя.
Позициями на указанных фигурах указаны следующие элементы:
1 - блок;
2 - головка блока;
3 - сектор;
4 - шаровой пояс;
5 - коленчатый вал;
6 - маховик;
7 - камера сгорания;
8 - рабочая камера;
9 - свечи зажигания;
10 - гильза коленчатого вала;
11 - гильза пояса;
12 - гильза сектора;
13 - вкладыш подшипника скольжения коленчатого вала;
14 - вкладыш подшипника скольжения пояса;
15 - вкладыш подшипника скольжения сектора;
16 - ступица коленчатого вала;
17 - штифт;
18 - зубчатый венец маховика;
19 - крышка коленчатого вала;
20 - фрикционный диск;
21 - упорные полукольца;
22 - каналы системы смазки;
23 - штуцер сектора;
24 - трубка;
25 - крышка сектора;
26 - масляный фильтр;
27 - приемный патрубок системы охлаждения;
28 - отводящий патрубок системы охлаждения;
29 - выпускной коллектор;
30 - стяжные шпильки с гайками;
31 - трамблер;
32 - масляный насос;
33 - масляный поддон;
34 - колпачок пояса;
35 - поясной палец;
36 - система уплотнений;
37 - крышка колодца клапана;
38 - газораспределительный механизм;
39 - выпускной канал головки блока;
40 - впускной канал головки блока;
41 - верхнее кольцо подшипника;
42 - нижнее кольцо подшипника;
43 - седло;
44 - клапан;
45 - крышка клапана;
46 - направляющая клапана;
47 - гайка;
48 - толкатель;
49 - регулировочные шайбы;
50 - каналы системы охлаждения;
51 - подшипники шариковые упорные;
52 - барабан;
53 - подпружиненное кольцо.
Двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный разъемный корпус состоящий из блока (1) и головки блока (2). В корпусе двигателя внутреннего сгорания расположена внутренняя сферическая камера, выполненная из двух полусфер, одна из которых расположена в головке блока, а вторая в блоке.
В головке блока установлен сектор (3), содержащий две камеры сгорания (7).
Ключевой особенностью сектора является его достаточно большой вес, продиктованный большими тепловыми и механическими нагрузками, а также расположением камер сгорания именно в секторе - не в поясе, за счет чего деталь получается массивной, имеет сложное напряженно-деформированное состояние.
В блоке установлен шаровой пояс (4) разделяющий внутреннюю сферическую камеру двигателя на 3 не сообщающиеся части: 2 рабочие камеры переменного объема (8) и картер двигателя, сообщающийся при помощи канала с масляным поддоном двигателя (33).
Шаровой пояс (4) совершает сложное движение, состоящее из нутационного движения и вращательного движения, из-за чего угол между поясом и сектором постоянно изменяется по гармоническому закону в заданных пределах, наибольшее значение угла между осями пояса и сектора с точки зрения проектирования должно лежать в пределах 90…150 градусов. За счет изменения данного угла изменяются объемы рабочих камер (8), в которых находится рабочее тело двигателя.
Рабочие камеры (8) вращаются вместе с сектором с переменной угловой скоростью по гармоническому закону, средняя скорость которого равна половине угловой скорости коленчатого вала. Рабочие камеры поочередно проходят мимо клапанов (44), за счет открытия и закрытия которых происходит газообмен в двигателе.
Ключевой особенностью шарового пояса является высокая термонагруженность, поэтому в поясе предусмотрены каналы и внутренние полости, через которые протекает масло не только смазывающее пары трения, но и охлаждающее пояс. Шаровой пояс может быть выполнен как цельной деталью, так и составной. Составной пояс имеет жаровой пояс, выполненный из жаропрочного материала и корпус пояса, выполненный с масляными каналами, к которому крепятся гильзы пояса, фрикционный диск (20), жаровой пояс, гильза пояса (11) с вкладышами.
Шаровой пояс и сектор установлены в блоке и головке блока, соответственно, с зазором, который компенсирует тепловое расширение деталей двигателя.
Выходным звеном с которого снимается мощность является коленчатый вал (5), расположенный в блоке.
Ключевой особенностью коленчатого вала является консольное расположение поясной шейки, ось которой не параллельна коренной, а расположена под строго определенным углом (этот параметр нельзя варьировать при заданной геометрии блока и головки блока), за счет этого коленчатый вал практически лишен нагружения изгибающим моментом и основная нагрузка приходящаяся на него - это нагрузка на срез, за счет чего достигается большая жесткость коленчатого вала и существенный запас по прочности.
Для компенсации пульсации крутящего момента на коленчатом валу установлен маховик (6).
Коленчатый вал и сектор установлены на вкладышах подшипников скольжения (13) и (15) соответственно, установленных в стаканах, состоящих из гильз (10) и (12) соответственно, осевая фиксация коленчатого вала происходит через ступицу (16) за счет упорных полуколец (21), установленных на стакане коленчатого вала.
Данный механизм имеет мертвое положение для прохождения которого применяется механизм синхронизации фрикционного типа, состоящий из подпружиненного кольца (53), установленного между стаканом коленчатого вала и блоком, и фрикционного диска (20), жестко закрепленного на шаровом поясе (4). Данный механизм создает точку опоры, опираясь на которую пояс за счет собственной инерции проходит мертвое положение.
Следует отметить, что данный механизм в большей мере необходим при пуске и остановке двигателя, когда силы инерции недостаточно велики для самостоятельного преодоления механизмом мертвого положения с ростом же оборотов необходимость в этом механизме пропадает.
В головке блока размещен газораспределительный механизм (38).
Газораспределительный механизм десмодромного типа, отличается от аналогичных тем, что угловая скорость барабана (52) переменная величина, изменяющаяся по гармоническому закону, средняя скорость которого равна 2/5 угловой скорости коленчатого вала. Барабан кинематически связан с сектором при помощи зубчатой передачи, таким образом, закон изменения угловой скорости сектора накладывается на закон движения барабана. Движение клапану (44) передается от толкателя (48), установленного внутри барабана. Толкатель связан с барабаном посредством ролика, катящегося в профилированной канавке, выполненной на внутренней поверхности барабана. От осевого вращения толкатель удерживает паз, выполненный в крышке клапана (45).
Десмодромный механизм позволяет выдерживать на порядок более высокие обороты и сохранять фазы газораспределения при любых оборотах двигателя, что обеспечивает стабильность характеристик двигателя и большее термодинамическое качество цикла (близость к теоретическому расчетному циклу), а также позволяет существенно увеличить время-сечение клапана (характеристика определяющая пропускную способность газораспределительного механизма и соответственно максимально возможные обороты двигателя).
Это достигается за счет изменения характеристики подъема клапана, представляющего собой разрывную функцию, из-за того что впуск и выпуск осуществляется непосредственно одной камеры за другой клапана открываются в одной камере а закрываются уже в другой камере, разрывность образуется из-за того что для каждой камеры часть газообмена обусловлена положением клапана а часть положением сектора и пояса которые пересекая седла клапанов (43) в головке блока также принимают участие в управлении газообменом.
Следует также отметить увеличенные геометрические размеры клапана по сравнению с поршневым двигателем, разница в пропускной способности по сравнению с ГРМ двигателя выполненного по схеме квадрат и имеющего по 2 клапана на цилиндр лежит в пределах 1.37…1.88, что существенно влияет на наполнение и пиковые обороты.
Работа сферического двигателя внутреннего сгорания по циклу Отто:
1. Такт впуска: угол между шаровым поясом и сектором растет и топливно-воздушная смесь засасывается в двигатель.
2. Сжатие заряда: после прохождения мертвого положения угол начинает уменьшаться и топливо-воздушная смесь сжимается до минимального объема вплоть до момента воспламенения.
3. Рабочий ход: происходит горение с расширением газа за счет роста угла между шаровым поясом и сектором.
4. Такт выпуска', в момент достижения максимального объема отработанные газы выводятся из двигателя через выпускной клапан.
Обоснование термодинамической эффективности сферического двигателя.
Из законов термодинамики известно, что потери тепла происходят от контакта рабочего тела с поверхностью пропорционально ее площади, а снижение температуры зависит от объема газа, для снижения потерь необходимо увеличить отношение объема газа к площади поверхности занимаемым этим объемом. Из геометрии известно, что данное отношение минимально именно для шара. В сравнении с двухцилиндровым двигателем, выполненным по схеме квадрат (рабочий ход равен диаметру цилиндра) сферический двигатель имеет 1.12 раза меньшую площадь поверхности, а в сравнении с четырехцилиндровым двигателем, выполненным по схеме квадрат 1.26 раза меньшую площадь поверхности при равном объеме.
Также следует отметить, что кинематическая передаточная функция в окрестности положения соответствующего минимальному объему более пологая, чем у поршневых ДВС, что дает больше времени для горения ТВС улучшая полноту сгорания
Рассмотрим передаточную функцию силового механизма (Фиг. 9).
На данном графике представлено сравнение передаточной функции механизма с синусоидой, графики крайне близки в отличие от кривошипно-шатунного механизма для которого подобный эффект может быть достигнут только при бесконечно длинном шатуне что на практике невозможно.
Обоснование ресурса двигателя.
Шаровой пояс и сектор не оказывают силового воздействия (не контактируют) на рабочие поверхности блока и головки блока, вследствие чего износ рабочей поверхности блока и головки блока происходит только за счет контакта с уплотнительными кольцами (системой уплотнений) (36). Кроме того больший габарит внутренней сферической камеры по сравнению с поршневым ДВС делает влияние зазоров менее заметным, позволяя таким образом увеличить интервал между капитальными ремонтами двигателя и уменьшить себестоимость и время ремонта двигателя.
Следует отметить, что контактные скорости v которые заметно влияют на ресурс для сферического двигателя больше, однако заметное снижение контактных напряжений q из-за отсутствия контакта между шаровым поясом, сектором и камерой компенсирует и превосходит влияние роста контактной скорости, так называемый qv фактор который для сферического двигателя оказывается меньше чем для роторного двигателя Ванкеля.
Особенности силового механизма сферического двигателя.
Для сферического двигателя этот механизм состоит из сектора, шарового пояса, коленчатого вала и механизма синхронизации. Особенностью данного механизма, отличающего его от двигателя Тауэра, является то, что угловая скорость валов двигателя отличается не только на величину пульсации угловой скорости как для классической карданной передачи (шарнира Гука), на которой основан двигатель Тауэра, а также на величину передаточного отношения равную 2, эта величина не зависит от параметров двигателя и является фиксированной для любых углов коленчатого вала (рабочих углов камер). За счет того что средняя угловая скорость сектора в 2 раза меньше чем коленчатого вала инерционная составляющая сектора в меньшей мере влияет на пульсацию крутящего момента.
Силовой механизм данного типа достаточно сложен в уравновешивании но может работать как с балансировочными валами так и без них. В отличие от КШМ не имеет возвратно поступательно движущихся масс, что существенно снижает инерционные нагрузки на подшипники коленчатого вала и сектора, а также является предпосылкой к большим максимальным (пиковым) оборотам двигателя и снижению потерь на преодоление инерционных сил возникающих в двигателе.
Кинематика силового механизма.
Фиг. 8 Геометрическая модель силового механизма.
Ось ОВ совпадает с осью шейки коленчатого вала крепящегося к поясу, ось OW совпадает с осью коренной шейки коленчатого вала крепящегося к блоку двигателя. Ось OZ совпадает с осью шейки сектора крепящегося в головке блока. Ось ON представляет перпендикуляр к оси ОВ, ось ОМ представляет перпендикуляр к оси OZ. Оси ОМ и ON образуют плоскость П2 являющаяся плоскостью в которой лежит пояс, задавая таким образом его положение в пространстве. Следует отметить что когда оси ОВ и OZ совпадают оси ОМ и ON также совпадают плоскость П2 вырождается, а нормаль n(OBN) условно совпадает с плоскостью П2 и перпендикулярна прямой ZOB но это однозначно не определяет ее положение в пространстве, данное положение соответствует мертвому положению механизма. Плоскости П1 соответствует плоскость сектора проходящая через оси пальцев и ось сектора. Плоскости П3 соответствует плоскость пояса проходящая через оси пальцев и ось подшипника коленчатого вала. Плоскости П4 соответствует плоскость пояса проходящая перпендикулярно осям пальцев и содержит ось подшипника коленчатого вала. Угол В это угол между шейками коленчатого вала (постоянная величина) именно он определяет рабочий объем двигателя т.к. все остальные углы зависят от него. Угол А это угол между поясом и сектором (переменная величина) именно он определяет рабочий объем камеры при данном конкретном положении механизма.
Система смазки сферического двигателя.
Система смазки комбинированная под давлением и разбрызгиванием, существенным отличием от поршневых ДВС является то, что обьем картера двигателя остается постоянным и не зависит от положения коленчатого вала, это позволяет снизить гидродинамические потери на разбрызгивание масла, а также заполнять масляный поддон (33) до более высокого уровня масла без вреда для механизма. Отток масла из картера двигателя происходит за счет специального канала в поддон двигателя.
Важной особенностью системы смазки является то, что она существенно влияет на охлаждение двигателя, в гораздо большей мере чем в поршневом двигателе внутреннего сгорания, за счет того что силовой механизм, в том числе сильно темнонагруженный шаровой пояс и сектор охлаждаются только маслом. Поэтому требуется более производительный масляный насос (32) и масляный радиатор, так как масло расходуется не только на смазку, но и прокачивается через детали для их охлаждения. Из-за этого масло будет преждевременно стареть и интервалы его замены меньше, чем для поршневого ДВС.
Система охлаждения сферического двигателя.
Система охлаждения жидкостная одноконтурная замкнутая с принудительной циркуляцией жидкости по системе посредством помпы. Жидкость циркулирует в каналах системы охлаждения (50), выполненных в блоке и головке блока, головка блока имеет один отводящий патрубок системы охлаждения (вывод охлаждающей жидкости) (28), блок имеет два вывода охлаждающей жидкости, приемный патрубок системы охлаждения (27), через один вывод охлажденная в радиаторе жидкость поступает в двигатель нагревается и выходит через оставшиеся выводы обратно в радиатор.
Так как высота двигателя существенно меньше поршневого двигателя влияние термосифонного охлаждения ослабевает, что обуславливает принудительную циркуляцию жидкости в системе.
Герметизация рабочих камер и система уплотнения сферического двигателя (Фиг. 4 аксонометрическое изображение системы уплотнения).
Герметизация рабочих камер происходит за счет системы уплотнительных колец установленных в секторе и поясе, и колпачков пояса (34), герметизирующих зазор в сочленении поясного пальца (35) с рабочей поверхностью блока и головки блока. Избытки масла с поверхности рабочих камер удаляются за счет маслосъемного кольца установленного на поясе и отводящего масло в картер двигателя.
Рассмотрим работу двигателя по четырехтактному циклу Отто (Фиг. 10 Диаграмма газораспределения сферического двигателя).
Двигатель работает следующим образом. На Фиг. 1 изображено положение двигателя соответствующее ВМТ (конец такта сжатия для первой камеры, начало такта сжатия для второй камеры). Рабочее тело (смесь, состоящая из воздуха и паров топлива) сжато в камере сгорания (7), расположенной в секторе (3). Далее происходит его воспламенение посредством свечей зажигания (9). За счет горения ТВС давление в камере сгорания увеличивается, но т.к. двигатель находится в ВМТ (вектор сил давления газа лежит в одной плоскости с осью коленчатого вала) движущего момента не создается, а усилия от давления газов воспринимаются вкладышами подшипников скольжения коленчатого вала, пояса, сектора (13, 14, 15). Под воздействием сил инерции механизм проходит мертвое положение, начинается такт рабочего хода, вектор сил давления газа и ось коленчатого вала становятся неколлинеарными и возникает крутящий момент, передающийся на коленчатый вал (5), при этом объем первой камеры увеличивается, газ (продукты сгорания) расширяется и совершает полезную работу. Во второй камере протекает такт сжатия, объем камеры уменьшается, рабочее тело сжимается и вытесняется в камеру сгорания. После поворота коленчатого вала на 342 градуса (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора пересекает седло (43) выпускного клапана соединяя рабочую полость с атмосферой, выпускной клапан открывается и при помощи выпускного канала головки блока (39) начинается такт выпуска. Давление начинает резко падать, а газ устремляется в выпускной коллектор (29), после того как давление газа сравняется с атмосферным выпуск продолжится за счет уменьшения объема рабочей камеры и вытеснения продуктов сгорания в выпускной канал головки блока. По прошествии еще 18 градусов механизм снова придет в ВМТ при этом в первой камере продолжается такт выпуска, во второй камере происходит воспламенение сжатой ТВС. Спустя еще 309 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) противоположный край сектора пересекает седло 43 выпускного клапана, газообмен заканчивается, и такт выпуска можно считать на этом завершенным. Далее через 33 градуса (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора второй камеры пересекает седло выпускного клапана и начинается такт выпуска второй камеры, особенностью является то, что выпускной клапан на протяжении этого угла остается открытым благодаря тому что один такт выпуска следует сразу за другим. Через 69 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора первой камеры пересекает седло впускного клапана, начинается такт впуска. Свежий заряд ТВС через впускной канал головки блока 40 заполняет рабочую камеру двигателя, т.к. угол между поясом и сектором постоянно растет в рабочей камере поддерживается разряжение, которое и засасывает свежий заряд. Спустя 258 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора второй камеры пересекает седло выпускного клапана, такт выпуска во второй камере заканчивается, выпускной клапан закрывается. Спустя 69 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора первой камеры пересекает седло впускного клапана изолируя рабочую полость от впускного канала головки блока, газообмен прекращается, такт впуска первой камеры завершен, начинается такт сжатия в первой камере. Далее через 33 градуса (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора второй камеры пересекает седло впускного клапана и начинается такт впуска второй камеры, особенностью является то что впускной клапан на протяжении этого угла остается открытым благодаря тому что один такт впуска следует сразу за другим. Спустя еще 309 градуса такт сжатия завершается механизм занимает положение ВМТ и цикл первой камеры повторяется. По прошествии еще 18 градусов край сектора второй камеры перекрывает впускной клапан, начинается такт сжатия, цикл второй камеры повторяется.