ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания общего применения и может быть использовано в автомобильном моторостроении.
Известен двухлопастной двигатель внутреннего сгорания, в основу работы которого положен принцип изменения рабочего объема между двумя лопастными роторами, вращающимися с переменной скоростью в одном направлении в рабочей полости. Компактность и высокая мощность двухлопастного двигателя внутреннего сгорания достигаются одновременной работой двух поверхностей лопасти в кольцевой рабочей камере и другим, отличным от поршневого двигателя, режимом работы. В двухлопастном двигателе внутреннего сгорания применяется четырехтактный цикл и используется механизм синхронизации роторных лопастей. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с перегородкой, разделяющей полость на первую и вторую рабочие полости, две поршневые лопасти, разделяющие первую рабочую полость на две камеры, и другие две поршневые лопасти, разделяющие вторую рабочую полость также на две камеры, впускной клапан и выпускное отверстие, форсунку и свечу зажигания. Корпус выполнен в виде цилиндра, установленного на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса. Полость образована между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью оси, рабочие полости выполнены тороидальной формы. Двигатель снабжен специальной электронной системой, в режиме реального времени отслеживающей процессы, протекающие в двигателе. Предполагается, что электронная система позволит точно подстраивать время открытия и закрытия клапанов. Система управления клапанами двигателя внутреннего сгорания существует в виде экспериментальной компьютерной модели. Предстоит создать программное обеспечение компьютеру автомобиля, чтобы реагировать на информацию, поступающую от датчиков двигателя. [Гридин В.В. Двухлопастной двигатель внутреннего сгорания (ДВС) общего применения роторно-лопастного типа / Независимый научно-технический портал. - Электрон, дан. - 10.01.2008. - Режим доступа: http://WWW.NTPO.COM - Загл. с экрана.].
Недостатками двухлопастного двигателя являются невысокий коэффициент полезного действия из-за затрат энергии на две рабочие полости; малая удельная мощность из-за большого объема в связи с необходимостью иметь две рабочие полости и необходимостью установления лопастных роторов в двух рабочих полостях; значительный вес, обусловленный большим объемом корпуса; низкая уравновешенность двигателя из-за несимметричности лопастных роторов относительно оси вращения.
Прототипом к заявляемому изобретению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием полости между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью оси, перегородку, роторные поршни, заслонки, перепускные коллекторы с клапанами, установленными в корпусе между рабочими полостями, форсунку и свечу зажигания. Полость корпуса разделена перегородкой на первую и вторую рабочие полости тороидальной формы. Каждая из заслонок установлена в прорези цилиндрического корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри своей рабочей полости для разделения и сообщения камер. Первым роторным поршнем, соединенным с осью, и заслонкой в выдвинутом положении первая рабочая полость разделена на камеру сгорания и выхлопную камеру. Вторым роторным поршнем, соединенным с осью, и другой заслонкой в выдвинутом положении вторая рабочая полость разделена на всасывающую камеру и компрессорную камеру. Каждая утопленная в прорези корпуса заслонка приводит к сообщению камер. Возвратно-поступательное перемещение заслонок внутри своих рабочих полостей должно быть обеспечено соответствующими приводными механизмами перемещения заслонок (патент RU 2260129 С2, МПК 7 F02B 53/08).
Однако этот двигатель внутреннего сгорания не имеет достаточно высокого коэффициента полезного действия из-за затрат энергии на возвратно-поступательное перемещение заслонок; двигатель имеет невысокую удельную мощность из-за необходимости иметь объемистые перепускные коллекторы с клапанами, иметь заслонки, выполненные в виде пластин и совершающие возвратно-поступательные движения, а роторные поршни установлены в двух рабочих полостях. Кроме того, двигатель имеет значительный вес, обусловленный использованием заслонок с приводным механизмом их перемещения, и низкую уравновешенность двигателя из-за несимметричности расположения заслонок и роторных поршней относительно оси вращения.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия, удельной мощности двигателя внутреннего сгорания и снижение веса двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием рабочей полости между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оси, роторные поршни и заслонки для разделения полости на рабочие камеры, впускной клапан, выпускное отверстие, форсунку и свечу зажигания, заслонки и роторные поршни выполнены в виде роторных пар поршней, каждая роторная пара поршней симметрична относительно оси вращения, все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью, периодического соединения с корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с одной рабочей полостью, причем двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных пар поршней, установленными в корпусе, в роторных парах поршней и в оси, и фиксаторами положения роторных пар поршней, установленными в роторных парах поршней, в корпусе и в оси.
Повышение коэффициента полезного действия получено вследствие исключения затрат энергии на рабочую полость, поскольку заслонки и роторные поршни выполнены в виде роторных пар поршней, каждая роторная пара поршней симметрична относительно оси вращения, все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью, периодического соединения с корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с одной рабочей полостью, что приводит к отсутствию необходимости иметь вторую рабочую полость и перегородку.
Повышение удельной мощности достигнуто вследствие исключения затрат энергии на рабочую полость, поскольку заслонки и роторные поршни выполнены в виде роторных пар поршней, каждая роторная пара поршней симметрична относительно оси вращения, все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью, периодического соединения с корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с одной рабочей полостью, что приводит к отсутствию необходимости иметь вторую рабочую полость и перегородку, т.е. к отсутствию необходимости иметь большой объем и избыточный вес. Причем двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных пар поршней, установленными в корпусе, роторных парах поршней и в оси, и фиксаторами положения роторных пар поршней, установленными в роторных парах поршней, в корпусе и в оси, что приводит к более экономичной работе двигателя.
Снижение веса достигнуто вследствие того, что в двигателе заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни выполнены в виде роторных пар поршней, все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси, что приводит к отсутствию необходимости иметь вторую рабочую полость и перегородку.
Высокая уравновешенность двигателя достигнута путем выполнения заслонок и роторных поршней в виде роторных пар поршней, когда каждая роторная пара поршней симметрична относительно оси вращения, все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен двигатель внутреннего сгорания, на фиг 2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - схема расположения роторных пар поршней на оси, датчиков положения роторных пар поршней и фиксаторов положения роторных пар поршней.
Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, ось 2, поршни 3, 4, 5, 6 и заслонки, выполненные в виде роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6. Корпус 1 выполнен цилиндрическим, установлен на оси 2, имеющей возможность вращения относительно корпуса 1. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 2 образована рабочая полость. Полость между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 2 разделена роторными парами поршней 3, 5 и 4, 6 на всасывающую камеру 7, компрессорную камеру 8, камеру 9 сгорания и выхлопную камеру 10. Двигатель также содержит впускной клапан 11, выпускное отверстие 12, форсунку 13, свечу 14 зажигания, фиксаторы 15, 16 положения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 и датчики 17, 18 положения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6. Роторная пара поршней 3, 5 установлена с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 или жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 15 положения роторной пары поршней 3, 5 по сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5 или от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6. Роторная пара поршней 4, 6 установлена с возможностью жесткого соединения с осью 2 или с корпусом 1 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 по сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6 или по сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5. Эти фиксаторы 15, 16 положения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 могут быть как механическими, так и электромагнитными. При этом всасывающая камера 7 снабжена впускным клапаном 11, выхлопная камера 10 снабжена выпускным отверстием 12, камера 9 сгорания снабжена форсункой 13 и свечой 14 зажигания. Роторные пары поршней 3, 5 и 4, 6 установлены на оси 2 с возможностью вращения любой роторной пары поршней 3, 5 и 4, 6 относительно оси 2 и с возможностью вращения любой роторной пары поршней 3, 5 и 4, 6 вместе с осью 2. Роторные пары поршней 3, 5 и 4, 6 установлены на оси 2 с возможностью вращения обеих роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 вместе с осью 2 с помощью фиксаторов 15, 16 положения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6. Роторные пары поршней 3, 5 и 4, 6 установлены на оси 2 с возможностью одновременного вращения обеих роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 относительно оси 2. Роторные пары поршней 3, 5 и 4, 6 разделяют рабочую полость на всасывающую камеру 7, компрессорную камеру 8, камеру 9 сгорания и выхлопную камеру 10. Фиксатор 15 положения роторной пары поршней 3, 5 и датчик 17 положения роторной пары поршней 3, 5 установлены в роторной паре поршней 3, 5 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксатор 16 положения роторной пары поршней 4, 6 и датчик 18 положения роторной пары поршней 4, 6 установлены в роторной паре поршней 4, 6 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксаторы 15, 16 положения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 и датчики 17, 18 положения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 могут быть расположены также в оси 2 и в корпусе 1.
При этом роторная пара поршней 3, 5 выполнена с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 15 положения роторной пары поршней 3, 5 по электрическому сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5. Роторная пара поршней 3, 5 выполнена с возможностью снятия фиксации роторной пары поршней 3, 5 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 15 положения роторной пары поршней 3, 5 по электрическому сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1. Роторная пара поршней 4, 6 выполнена с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 по электрическому сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6. Роторная пара поршней 4, 6 выполнена с возможностью снятия фиксации роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 по электрическому сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5. Все роторные поршни 3, 4, 5, 6 выполнены в виде роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6, каждая роторная пара поршней 3, 5 и 4, 6 симметрична относительно оси вращения, все роторные пары поршней 3, 5 и 4, 6 установлены в одной рабочей полости на общей оси 2 с возможностями вращения относительно оси 2, периодического соединения с осью 2, периодического соединения с корпусом 1 и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры 7, 8, 9, 10, впускной клапан 11 и выпускное отверстие 12 связаны с одной рабочей полостью.
Принято, что на фиг.1 направление вращения роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 осуществляется по часовой стрелке.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Используется четырехтактный цикл: всасывание; сжатие; горение и расширение; выхлоп. Рабочая полость используется одновременно на впуск воздуха через впускной клапан 11 во всасывающую камеру 7, на сжатие находящегося в компрессорной камере 8 воздуха, на горение и расширение топливной смеси в камере 9 сгорания и на вытеснение ранее отработанных газов из выхлопной камеры 10 через выпускное отверстие 12. Описание ведется здесь по статическому состоянию составляющих двигателя внутреннего сгорания, изображенного на фиг.1, а также на фиг.2 и 3.
Такт всасывания. При всасывании через впускной клапан 11 во всасывающую камеру 7, расположенную между поршнями 4 и 3 роторных пар поршней 4, 6 и 3, 5, поступает воздух из атмосферы. Всасывание осуществляется во время кругового движения роторной пары поршней 3, 5 снятой с фиксации относительно корпуса 1 и сразу же фиксированной на оси 2 с помощью фиксатора 15 положения роторной пары поршней 3, 5 по сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6. Всасывание осуществляется при фиксированной относительно корпуса 1 роторной паре поршней 4, 6 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 по сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6.
Такт сжатия. В компрессорной камере 8, расположенной между поршнем 3 роторной пары поршней 3, 5 и поршнем 6 роторной пары поршней 4, 6, присутствует ранее втянутый воздух. Воздух сжимается с помощью поршня 3, движущегося по кругу в составе роторной пары поршней 3, 5. Роторная пара поршней 3, 5 ранее была фиксирована относительно оси 2 с помощью фиксатора 15 положения роторной пары поршней 3, 5 при фиксированной относительно корпуса 1 роторной паре поршней 4, 6 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6. Повышая давление воздуха в компрессорной камере 8, поршень 3 роторной пары поршней 3, 5 удаляется от поршня 4 роторной пары поршней 4, 6 и в результате вращения приближается к поршню 6 роторной пары поршней 4, 6. По сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5 относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 роторная пара поршней 4, 6 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и сразу же фиксируется относительно оси 2. Далее роторная пара поршней 4, 6 вращается вместе с осью 2 и роторной парой поршней 3,5, оставляя роторной паре поршней 3, 4 место прежней фиксации роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1. Когда поршень 6 роторной пары поршней 4, 6 проходит мимо свечи 14 зажигания и мимо форсунки 13, тогда роторная пара поршней 3, 5 с помощью фиксатора 15 снимается с фиксации относительно оси 2. После этого роторная пара поршней 3, 5 сразу фиксируется относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1. К этому времени воздух в компрессорной камере 8 находится между фиксированным относительно корпуса 1 поршнем 3 роторной пары поршней 3, 5 и движущимся поршнем 4 роторной пары поршней 4, 6, поэтому компрессорная камера 8 является подготовленной к выполнению последующего такта сжатия.
Такт горения и расширения. Сжатый воздух используется в камере 9 сгорания в такте горения и расширения. Такт горения и расширения начинается практически одновременно с выполнением трех других тактов, всасывания, сжатия и выхлопа, поэтому описание работы ведется здесь по статическому состоянию составляющих двигателя внутреннего сгорания, изображенного на фиг.1, а также на фиг.2 и 3. Поршень 5 в составе роторной пары поршней 3, 5 заранее снят с фиксации относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 15 роторной пары поршней 3, 5, по сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6. После снятия фиксации относительно корпуса 1 сразу же поршень 5 в составе роторной пары поршней 3, 5 был фиксирован относительно оси 2. В камеру 9 сгорания впрыскивается топливная смесь через форсунку 13 и поджигается свечой 14 зажигания. В результате горения и расширения топливной смеси в камере 9 сгорания давление газов на поршень 5 приводит роторную пару поршней 3, 5 во вращательное движение, а вместе с роторной парой поршней 3, 5 приводится в движение ось 2. Поршень 5 в составе роторной пары поршней 3, 5 вращается при фиксированном положении поршня 4 и в целом роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1. Поршень 5 роторной пары поршней 3, 5 при вращении роторной пары поршней 3, 5 удаляется от поршня 6 роторной пары поршней 4, 6 и приближается к поршню 4 роторной пары поршней 4, 6. По сигналу от датчика 17 положения движущейся роторной пары поршней 3, 5 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 роторная пара поршней 4, 6 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и фиксируется относительно оси 2. Поршень 4 роторной пары поршней 4, 6 вращается с осью 2 и с поршнем 5 роторной пары поршней 3, 5. Поршень 4 оставляет поршню 5 роторной пары поршней 3, 5 место прежней фиксации поршня 4 роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1 для фиксации положения поршня 5 роторной пары поршней 3, 5 относительно корпуса 1. После прохождения поршнем 5 пути около выпускного отверстия 12 сразу же поршень 5 в составе роторной пары поршней 3, 5 освобождается от фиксации относительно оси 2 и фиксируется относительно корпуса 1. Поршень 5 роторной пары поршней 3, 5 фиксируется относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 15 положения роторной пары поршней 3, 5 на месте прежней фиксации поршня 4 роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1. Поршень 4 в составе роторной пары поршней 4, 6 с осью 2 далее продолжают круговое движение без роторной пары поршней 5, 3, впускной клапан 11 открывается, выпускное отверстие 12 открыто. К моменту открытия впускного клапана 11 и выпускного отверстия 12 камера 9 сгорания и выхлопная камера 10 вернулись в изначальное состояние. За один оборот роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 в камере 9 сгорания четыре раза осуществляется такт горения и расширения. Одновременно с тактом горения и расширения в камере 9 сгорания осуществляется в выхлопной камере 10 такт выхлопа.
Такт выхлопа. Одновременно с тактами всасывания, сжатия и с тактом горения и расширения осуществлялся такт выхлопа. В выхлопной камере 10 имеются отработанные газы, которые вытесняются из выхлопной камеры 10 поршнем 5 роторной пары поршней 3, 5 через выпускное отверстие 12. Поршень 5 подходит к неподвижному поршню 4. Роторная пара поршней 4, 6 по сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5 с помощью фиксатора 16 положения роторной пары поршней 4, 6 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и фиксируется относительно оси 2. Роторная пара поршней 4, 6 начинает вращение. После прохождения поршнем 5 пути около выпускного отверстия 12 поршень 5 в составе роторной пары поршней 3, 5 освобождается от фиксации относительно оси 2. Поршень 5 роторной пары поршней 3, 5 фиксируется относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации поршня 4 роторной пары поршней 4, 6 относительно корпуса 1. Фиксация поршня 5 осуществляется фиксатором 15 положения роторной пары поршней 3, 5 по сигналу от датчика 17 положения роторной пары поршней 3, 5 относительно корпуса 1. Выхлопная камера 10 готова к повторению такта выхлопа. Следующий такт выхлопа завершится тем, что на месте поршня 5 будет фиксирован относительно корпуса 1 поршень 6 фиксатором 16 положения роторной пары поршней 4, 6 по сигналу от датчика 18 положения роторной пары поршней 4, 6. Выхлопная камера 10 будет снова готова к повторению такта выхлопа, а двигатель внутреннего сгорания готов к повторению четырехтактного цикла работы. За один оборот роторных пар поршней 3, 5 и 4, 6 в рабочей полости двигателя четыре раза осуществляется четырехтактный цикл работы.
Двигатель внутреннего сгорания имеет следующие преимущества.
Повышение коэффициента полезного действия получено вследствие исключения затрат энергии на рабочую полость, поскольку отсутствует необходимость иметь вторую рабочую полость и перегородку.
Повышение удельной мощности достигнуто вследствие исключения затрат энергии на рабочую полость и уменьшения за счет этого объема и веса. Причем двигатель подготовлен к более экономичной работе двигателя.
Снижение веса достигнуто вследствие того, что в двигателе заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни выполнены в виде роторных пар поршней, все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси, что приводит к отсутствию необходимости иметь вторую рабочую полость и перегородку.
Высокая уравновешенность двигателя достигнута вследствие выполнения заслонок и роторных поршней в виде роторных пар поршней, когда каждая роторная пара поршней симметрична относительно оси вращения и все роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости и на общей оси.