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, основанный на принципе 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. Электронная система позволяет точно подстраивать время открытия и закрытия клапанов. Система управления клапанами двигателя внутреннего сгорания существует в виде экспериментальной компьютерной модели [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; невысокая удельная мощность из-за использования двух рабочих полостей и установки роторных заслонок в двух рабочих полостях. Кроме того, двигатель имеет значительный вес, обусловленный большим объемом корпуса.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (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, MПK 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 две рабочих полости и объемистые перепускные коллекторы с клапанами, а также иметь заслонки и роторные поршни в двух рабочих полостях. Кроме того, двигатель имеет значительный вес, обусловленный большим объемом корпуса и использованием заслонок с приводным механизмом их перемещения.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия, удельной мощности двигателя внутреннего сгорания, уменьшение объема и снижение веса двигателя.
Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием полости тороидальной формы 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 выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностью вращения относительно оси, периодического соединения с осью и корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с этой рабочей полостью, причем двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных поршней, установленными в корпусе, в роторных поршнях и в оси, и фиксаторами положения роторных поршней, установленными в роторных поршнях, в корпусе и в оси. Поставленная задача решается тем, что двухлопастной двигатель внутреннего сгорания, имеющий две рабочие полости, и двигатель с роторным поршнем и заслонкой, имеющий две рабочие полости, заменяются роторным четырехлопастным двигателем внутреннего сгорания.
Повышение коэффициента полезного действия обусловлено выполнением заслонок в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью и корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с этой рабочей полостью. Это приводит к исключению затрат энергии на вторую рабочую полость и на перепускные коллекторы с клапанами. Причем двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных поршней, установленными в корпусе, в роторных поршнях и в оси, и фиксаторами положения роторных поршней, установленными в роторных поршнях, в корпусе и в оси, что приводит к более экономичному режиму работы двигателя.
Повышение удельной мощности достигнуто вследствие того, что в двигателе исключена необходимость в перегородке и перепускных коллекторах с клапанами, поскольку заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью и корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с этой рабочей полостью.
Снижение веса и уменьшение объема достигнуто вследствие того, что в двигателе отсутствуют перегородка и перепускные коллекторы с клапанами. Поскольку заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью и корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры, впускной клапан и выпускное отверстие связаны с этой рабочей полостью, то в двигателе отсутствует вторая рабочая полость и, следовательно, уменьшен вес двигателя и его объем.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен двигатель внутреннего сгорания, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - расположение роторных поршней на оси.
Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, ось 2, поршни и заслонки, выполненные в виде роторных поршней 3, 4, 5, 6. Корпус 1 выполнен цилиндрическим, установлен стационарно на оси 2, имеющей возможность вращения относительно корпуса 1. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 2 образована рабочая полость тороидальной формы. Полость между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 2 разделяется роторными поршнями 3, 4, 5, 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, 17, 18 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6 и датчики 19, 20, 21, 22 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6. Роторные поршни 3, 4, 5, 6 установлены с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 или жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксаторов 15, 16, 17, 18 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6 по сигналу от датчиков 19, 20, 21, 22 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6. Датчики 19, 20, 21, 22 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6 и фиксаторы 15, 16, 17, 18 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6 установлены с возможностью предотвращения одновременного зацепления какого-либо ротора с корпусом и осью и обеспечения безопасной работы двигателя. Эти фиксаторы 15, 16, 17, 18 положения роторных поршней 3, 4, 5, 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, а выхлопная камера 10 - выпускным отверстием 12.
Роторные поршни 3, 4, 5, 6 установлены на оси 2 с возможностью вращения любого роторного поршня 3, 4, 5, 6 относительно оси 2 и с возможностью вращения любого роторного поршня 3, 4, 5, 6 вместе с осью 2. Порядок расположения роторных поршней 3, 4, 5, 6 на оси 2 показан на фиг.2 и фиг.3. Роторные поршни 3, 4, 5, 6 установлены на оси 2 с возможностью вращения роторных поршней 3,4 вместе с осью 2 с помощью фиксаторов 15, 16 положения роторных поршней 3,4; вращения роторных поршней 4, 5 вместе с осью 2 с помощью фиксаторов 16, 17 положения роторных поршней 4, 5; вращения роторных поршней 5, 6 вместе с осью 2 с помощью фиксаторов 17, 18 положения роторных поршней 5, 6; вращения роторных поршней 6, 3 вместе с осью 2 с помощью фиксаторов 18, 15 положения роторных поршней 6, 3. Роторные поршни 3, 4, 5, 6 разделяют рабочую полость на всасывающую камеру 7, компрессорную камеру 8, камеру 9 сгорания и выхлопную камеру 10. Роторные поршни 3, 4, 5, 6 выполнены в виде лопаток, приваренных к дискам, каждый диск имеет отверстие для оси 2. Широкие стороны лопаток роторных поршней определяют изменяющийся размер всасывающей камеры 7, компрессорной камеры 8, камеры 9 сгорания, выхлопной камеры 10. Фиксатор 15 положения роторного поршня 3 и датчик 19 положения роторного поршня 3 установлены в роторном поршне 3 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксатор 16 положения роторного поршня 4 и датчик 20 положения роторного поршня 4 установлены в роторном поршне 4 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксатор 17 положения роторного поршня 5 и датчик 21 положения роторного поршня 5 установлены в роторном поршне 5 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксатор 18 положения роторного поршня 6 и датчик 22 положения роторного поршня 6 установлены в роторном поршне 6 вблизи корпуса 1 и оси 2. Датчики 19, 20, 21, 22 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6 и фиксаторы 15, 16, 17, 18 положения роторных поршней 3, 4, 5, 6 можно размещать также в корпусе 1, в оси 2 и в роторных поршнях 3, 4, 5, 6.
Принято, что на фиг.1 направление вращения роторных поршней 3, 4, 5, 6 осуществляется по часовой стрелке.
При этом роторный поршень 3 выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 15 положения роторного поршня 3 по электрическому сигналу от датчика 19 положения роторного поршня 3, а также с возможностью снятия фиксации роторного поршня 3 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 15 положения роторного поршня 3 по электрическому сигналу от датчика 20 положения роторного поршня 4 относительно корпуса 1. Роторный поршень 4 выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 16 положения роторного поршня 4 по электрическому сигналу от датчика 20 положения роторного поршня 4, а также с возможностью снятия фиксации роторного поршня 4 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 16 положения роторного поршня 4 по электрическому сигналу от датчика 21 положения роторного поршня 5. Роторный поршень 5 выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 17 положения роторного поршня 5 по электрическому сигналу от датчика 21 положения роторного поршня 5, а также с возможностью снятия фиксации относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 17 положения роторного поршня 5 по электрическому сигналу от датчика 22 положения роторного поршня 6. Роторный поршень 6 выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 18 положения роторного поршня 6 по электрическому сигналу от датчика 22 положения роторного поршня 6, а также с возможностью снятия фиксации роторного поршня 6 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 18 положения роторного поршня 6 по электрическому сигналу от датчика 19 положения роторного поршня 3. Все роторные поршни 3, 4, 5, 6 установлены в одной рабочей полости на общей оси 2 с возможностью вращения относительно оси 2, периодического соединения с осью 2 и корпусом 1 и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры 7, 8, 9, 10.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Объяснение ведется по статическому положению составляющих конструкции двигателя, которое показано на фиг.1. В основу работы двигателя положен принцип одновременного изменения объема между каждыми двумя соседними роторными поршнями 3 и 4, 4 и 5, 5 и 6, 6 и 3 из четырех роторных поршней 3, 4, 5, 6, вращающихся с переменной скоростью в одном направлении в одной рабочей полости. Компактность, высокая мощность и высокая удельная мощность достигаются одновременной работой двух поверхностей каждого из четырех роторного поршня 3, 4, 5, 6. Используется четырехтактный цикл: всасывание; сжатие; горение и расширение; выхлоп. При этом рабочая полость используется на впуск воздуха через впускной клапан 11 во всасывающую камеру 7 и на одновременное с впуском воздуха во всасывающую камеру 7 сжатие находящегося в компрессорной камере 8 воздуха. Всасывающей камерой 7 является часть рабочей полости, ограниченная двумя соседними роторными поршнями 3 и 4, или 4 и 5, или 5 и 6, или 6 и 3 при открытом впускном клапане 11 и вращении роторных поршней 3, 4, 5, 6 по часовой стрелке. Компрессорной камерой 8 является часть рабочей полости, ограниченная двумя соседними роторными поршнями 6 и 3, или 3 и 4, или 4 и 5, или 5 и 6 на время сжатия втянутого воздуха. Камерой 9 сгорания является часть рабочей полости, ограниченная двумя соседними роторными поршнями 5 и 6, или 6 и 3, или 3 и 4, или 4 и 5 на время нахождения в ней форсунки 13 и свечи 14 зажигания. Рабочая полость используется также на горение и расширение топливной смеси в камере 9 сгорания и на одновременное с горением и расширением вытеснение ранее отработанных газов из выхлопной камеры 10 через выпускное отверстие 12. Содержимое между каждыми двумя соседними лопатками роторных поршней 3, 4, 5, 6 последовательно переносится по кругу через четыре рабочих камеры для выполнения четырехтактного рабочего цикла.
Такт всасывания. Всасывание, в рассматриваемое на фиг.1 время, осуществляется при круговом движении роторного поршня 3, несколько ранее снятого с фиксации относительно корпуса 1 и сразу же фиксированного на оси 2 с помощью фиксатора 15 положения роторного поршня 3 по сигналу от датчика 20 положения роторного поршня 4. Всасывание осуществляется при фиксированном относительно корпуса 1 роторном поршне 4 с помощью фиксатора 16 положения роторного поршня 4 по сигналу от датчика 20 положения роторного поршня 4. При всасывании через впускной клапан 11 во всасывающую камеру 7, расположенную в этот момент между лопатками роторных поршней 3 и 4, поступает воздух из атмосферы.
Такт сжатия. В компрессорной камере 8, расположенной в рассматриваемое время между лопаткой роторного поршня 3 и лопаткой роторного поршня 6, присутствует воздух, втянутый ранее в то время, когда поршень 6 находился на месте поршня 3 и поршень 3 находился на месте поршня 4. Воздух сжимается с помощью лопатки движущегося по кругу роторного поршня 3, фиксированного ранее относительно оси 2 с помощью фиксатора 15 положения роторного поршня 3, при фиксированном относительно корпуса 1 роторном поршне 6 с помощью фиксатора 18 положения роторного поршня 6. Повышая давление воздуха в компрессорной камере 8, лопатка роторного поршня 3 удаляется от лопатки роторного поршня 4 и в результате вращения приближается к лопатке роторного поршня 6. Затем по сигналу от датчика 19 положения роторного поршня 3 относительно корпуса 1, с помощью фиксатора 18 роторного поршня 6 роторный поршень 6 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и сразу же фиксируется относительно оси 2. Далее роторный поршень 6 вращается по часовой стрелке вместе с осью 2 и одновременно со следующим за ним роторным поршнем 3, оставляя роторному поршню 3 место прежней фиксации роторного поршня 6 относительно корпуса 1. После прохождения лопаткой роторного поршня 3 короткого пути около свечи 14 зажигания и форсунки 13, роторный поршень 3 по сигналу от датчика 19 с помощью фиксатора 15 освобождается от фиксации относительно оси 2 и фиксируется относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации роторного поршня 6 относительно корпуса 1. В результате замены лопатки роторного поршня 6 лопаткой роторного поршня 3 подготовлены условия для повторения такта сжатия в компрессорной камере 8. В результате замены лопатки роторного поршня 6 лопаткой роторного поршня 3 подготовлены также условия для повторения такта горения и расширения топливной смеси в камере 9 сгорания. Такт горения и расширения начинается практически одновременно с выполнением трех других тактов.
Такт горения и расширения. Объяснение ведется по тому статическому положению составляющих двигателя, которое показано на фиг.1. Сжатый воздух используется в камере 9 сгорания в такте горения и расширения. Когда лопатка роторного поршня 3 только начинала свое движение по сжатию воздуха в компрессорной камере 8, в камеру 9 сгорания впрыскивалась топливная смесь через форсунку 13 и зажигалась свечой 14 зажигания. К началу горения и расширения топливной смеси роторный поршень 6 был снят с фиксации относительно оси 2 и был фиксирован относительно корпуса 1. К началу горения и расширения топливной смеси роторный поршень 5 был снят с фиксации относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 17 роторного поршня 5 по сигналу от датчика 22 положения роторного поршня 6 и фиксирован относительно оси 2. Повышенное давление на лопатку роторного поршня 5 приводит роторный поршень 5 во вращательное движение, а вместе с роторным поршнем 5 приводится во вращательное движение ось 2. Роторный поршень 5 вращается при фиксированном положении роторного поршня 5 относительно оси 2, при фиксированном положении роторного поршня 4 относительно корпуса 1 и фиксированном положении роторного поршня 6 относительно корпуса 1. Лопатка роторного поршня 5 при вращении удаляется от лопатки роторного поршня 6 и приближается к лопатке роторного поршня 4. По сигналу от датчика 21 положения приближающегося роторного поршня 5 относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 16 положения роторного поршня 4 роторный поршень 4 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и фиксируется относительно оси 2. Затем роторный поршень 4 поворачивается по часовой стрелке одновременно с осью 2 и со следующим за ним роторным поршнем 5, оставляя роторному поршню 5 место прежней фиксации роторного поршня 4 относительно корпуса 1 для фиксации роторного поршня 5 относительно корпуса 1. После прохождения лопаткой роторного поршня 5 пути около выпускного отверстия 12 и сразу после прохождения лопатки роторного поршня 5 мимо выпускного отверстия 12, роторный поршень 5 освобождается от фиксации относительно оси 2 и фиксируется относительно корпуса 1. Роторный поршень 5 фиксируется относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 17 роторного поршня 5 по сигналу от датчика 21 положения роторного поршня 5 относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации роторного поршня 4 относительно корпуса 1. Роторный поршень 4 вместе с осью 2 продолжают круговое движение, впускной клапан 11 открывается, выпускное отверстие 12 открыто. К моменту открытия впускного клапана 11 и выпускного отверстия 12 камера 9 сгорания приходит в изначальное состояние. За один оборот роторных поршней 3, 4, 5, 6 в камере 9 сгорания двигателя четыре раза осуществляется такт горения и расширения.
Такт выхлопа. Одновременно с тактом горения и расширения осуществлялся такт выхлопа. В выхлопной камере 10 имеются отработанные газы, которые вытесняются из выхлопной камеры 10 роторным поршнем 5 через выпускное отверстие 12. При подходе лопатки роторного поршня 5 к лопатке роторного поршня 4, роторный поршень 4, по сигналу от датчика 21 положения роторного поршня 5 относительно корпуса 1, с помощью фиксатора 16 положения роторного поршня 4 снимается с фиксации относительно корпуса 1, фиксируется относительно оси 2 и начинает свое вращательное движение. После прохождения лопаткой роторного поршня 5 пути около выпускного отверстия 12 роторный поршень 5 освобождается от фиксации относительно оси 2. После этого роторный поршень 5 сразу фиксируется относительно корпуса 1, на месте прежней фиксации роторного поршня 4 относительно корпуса 1, с помощью фиксатора 17 положения роторного поршня 5, по сигналу от датчика 21 положения роторного поршня 5 относительно корпуса 1. В результате выхлопная камера 10 становится подготовленной к повторению такта выхлопа. В конце следующего такта выхлопа на месте роторного поршня 5 будет фиксирован относительно корпуса 1 роторный поршень 6 с помощью фиксатора 18 положения роторного поршня 6 по сигналу от датчика 22 положения роторного поршня 6. При этом выхлопная камера 10 будет снова подготовлена к повторению такта выхлопа и двигатель внутреннего сгорания готов к повторению четырехтактного цикла работы. За один оборот роторных поршней 3, 4, 5, 6 в рабочей полости двигателя четыре раза осуществляется четырехтактный цикл работы.
Двигатель внутреннего сгорания имеет следующие преимущества:
- повышенный коэффициент полезного действия вследствие исключения затрат энергии на перепускные коллекторы, на рабочую полость и на возвратно-поступательное перемещение заслонок путем выполнения заслонок в виде роторных поршней, установленных в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью и корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры. Причем двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных поршней, установленными в корпусе, в роторных поршнях и в оси, и фиксаторами положения роторных поршней, установленными в роторных поршнях, в корпусе и в оси, что делает работу двигателя более экономичной;
- повышенную удельную мощность вследствие того, что в двигателе отсутствуют перегородка и перепускные коллекторы с клапанами, заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены в одной рабочей полости на общей оси и этим уменьшен объем и вес;
- снижение веса вследствие того, что заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью и корпусом и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры. В двигателе весь четырехтактный цикл работы осуществляется в одной рабочей полости, поэтому нет необходимости во второй полости и в перегородке между рабочими полостями.