ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания и может быть использована в качестве двигателя автомобиля, мотоцикла, трактора и других машин, агрегатов и устройств.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля). Особенность известного двигателя является применение вращающегося ротора (поршня), размещенного внутри цилиндра, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (см. Автомобильные и тракторные двигатели, Москва, Высшая школа, 1976).
Данное техническое решение является наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемой полезной модели.
В известном двигателе ротор, установленный на валу, жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни, при этом его грани скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают в цилиндре переменные объемы камер всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа.
Основное отличие двигателя Ванкеля от известных поршневых двигателей состоит в замене возвратно-поступательного движения поршней вращательным. Вследствие этого может быть увеличена частота вращения вала двигателя, что при одинаковом массовом заряде рабочего объема позволяет получить большую мощность. Поэтому при одинаковых мощностях роторные двигатели компактнее обычных поршневых двигателей и легче последних.
Однако известный двигатель имеет ряд недостатков, а именно, низкий КПД, маленький ресурс, повышенный расход масла, склонность к перегреву, необходимость применения очень сложного современного оборудования при его изготовлении, а после выработки ресурса данный двигатель не подлежит ремонту. Данные недостатки обусловлены тем, что камера сгорания имеет форму весьма узкой линзы, которая не позволяет рабочей смеси полностью сгорать, а большая площадь камеры сгорания приводит к повышенному рассеиванию тепла и, как следствие приводит к перегреву двигателя, снижению КПД. Треугольная форма ротора-поршня не обеспечивает герметизацию камеры сгорания при длительном ресурсе работы двигателя за счет интенсивного трения верхушек ротора. Невозможность изъятия излишков масла из камеры сгорания приводит к перерасходу масла.
Технический результат, который может быть получен от использования настоящей полезной модели, заключается в увеличении его КПД и ресурса работы за счет упрощения конструкции, что также благоприятно сказывается на процессах изготовления, обслуживания и ремонта двигателя.
Указанный технический результат достигается в конструкции двигателя внутреннего сгорания, содержащего установленные на одном коленчатом валу соосно и последовательно друг за другом цилиндр для всасывания и сжатия горючей смеси (ГС) и рабочий цилиндр для сгорания горючей смеси, расширения и выпуска газообразных продуктов сгорания, в каждом цилиндре расположен цилиндрический ротор, обкатывающий внутреннюю цилиндрическую поверхность цилиндра, причем цилиндрические роторы установлены на роторных шейках коленчатого вала, щеки которых расположены в торцевых нишах, имеющихся с обоих торцов каждого цилиндрического ротора, причем оси роторных шеек коленчатого вала совпадают с осями цилиндрических роторов, а оси цилиндрических роторов смещены в поперечной плоскости относительно друг друга, при этом оси коренных шеек коленчатого вала совпадают с осями внутренних цилиндрических поверхностей цилиндров; цилиндр для всасывания и сжатия горючей смеси имеет отверстие для впуска горючей смеси и отверстие для отвода сжатой горючей смеси, а рабочий цилиндр имеет отверстие для подачи сжатой горючей смеси и отверстие для выпуска газообразных продуктов сгорания, при этом внутренние объемы цилиндров соединены между собой посредством перепускного патрубка, в котором установлен клапан, причем отверстие для отвода сжатой горючей смеси и отверстие для подачи сжатой горючей смеси находятся на концах перепускного патрубка; в каждом цилиндре установлена подвижная разделительная перегородка, при этом один конец разделительной перегородки скользит по наружной поверхности цилиндрического ротора, а другой расположен в корпусе цилиндра.
В первом варианте разделительная перегородка выполнена в виде пластины, установленной в радиальной плоскости внутренней цилиндрической поверхности цилиндра с возможностью перемещения в этой плоскости, при этом каждый из цилиндров снабжен верхней частью. По второму варианту разделительная перегородка выполнена в виде фрагмента цилиндрической оболочки, внутренний радиус которой совпадает с радиусом внутренней цилиндрической поверхности цилиндра, при этом расположенный в корпусе цилиндра конец перегородки закреплен в нем шарнирно.
Наружная поверхность ротора, расположенного в цилиндре для всасывания и сжатия горючей смеси, может быть выполнена из эластичного материала.
Принцип работы заявленной полезной модели основан на принципе работы известного двигателя Ванкеля, выбранного в качестве прототипа, общими элементами конструкций заявленной полезной модели и известного двигателя являются цилиндр и ротор, установленные на валу, при этом ротор обкатывает внутреннюю поверхность цилиндра, образуя переменные объемы камер всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа. Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 показан двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления полезной модели, продольный разрез
На фиг.2-9 показаны фазы положения цилиндрических роторов по первому варианту осуществления полезной модели
На фиг.10-13 показаны фазы положения цилиндрического ротора в цилиндре всасывания и сжатия горючей смеси по второму варианту осуществления полезной модели.
На фиг.14 показан двигатель внутреннего сгорания согласно второму варианту осуществления полезной модели, продольный разрез
На фиг.15-18 показаны фазы положения цилиндрического ротора в рабочем цилиндре по второму варианту осуществления полезной модели
Двигатель внутреннего сгорания, а именно, кругового обкатного вращательного движения (КОВД), (фиг.1) состоит из цилиндра 1 для всасывания и сжатия горючей смеси, которая подается из карбюратора 20, и рабочего цилиндра 15 для сгорания горючей смеси, расширения и выпуска газообразных продуктов сгорания. Каждый из цилиндров 1 и 15 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхностью и снабжен верхней частью 22, при этом верхние части 22 цилиндров 1 и 15 смещены относительно друг друга по окружности. Внутри каждого цилиндра 1 и 15 находятся обкатывающие их внутреннюю цилиндрическую поверхность цилиндрические роторы 2 и 13, установленные на роторных шейках 5 и 6 коленчатого вала 4, щеки которого расположены в торцевых нишах с обоих торцов роторов в каждом из цилиндров 1 и 15. При этом оси роторных шеек 5 и 6 коленчатого вала 4 совпадают с осями роторов 2 и 13, а оси 3 коренных шеек коленчатого вала совпадают с осями внутренних цилиндрических поверхностей цилиндров 1 и 15.
В соответствии с первым вариантом осуществления полезной модели в верхней части 22 каждого цилиндра 1 и 15 имеется перегородка 7 свободно перемещающаяся в радиальном направлении, которая плотно прилегает за счет прижимных пружин 10 к соответствующему цилиндрическому ротору 2 или 13. Перегородка 7 служит для разделения и изоляции объемов газов А и Б в цилиндре 1 для всасывания и сжатия ГС, а в цилиндре 15 для разделения и изоляции объемов газов Д и Е при сгорании ГС, расширении и выпуске газообразных продуктов сгорания.
В соответствии со вторым вариантом осуществления полезной модели, разделительная перегородка может быть выполнена в виде фрагмента цилиндрической оболочки 26, внутренний радиус которой совпадает с радиусом внутренней цилиндрической поверхности цилиндра 1 или 15, в котором она расположена, при этом один конец перегородки посредством оси 21 шарнирно закреплен в корпусе соответствующего цилиндра.
Оси цилиндрических роторов 2 и 13 смещены в поперечной плоскости (фиг.3) относительно друг друга, например, на угол L (см. чертежи), величина которого зависит от заданной степени сжатия горючей смеси.
Внутренние объемы цилиндров 1 и 15 соединены между собой посредством перепускного патрубка 24 для прохождения ГС из зоны сжатия Б, образованной во внутреннем объеме 29 цилиндра 1, в зону сгорания, образованной во внутреннем объеме 23 рабочего цилиндра 15.
В цилиндре 1 для всасывания и сжатия ГС (фиг.1 и 14) имеются отверстие 16 для всасывания ГС и отверстие 17 для отвода сжатой ГС в зону сгорания, образованной во внутреннем объеме 23 цилиндра 15.
В рабочем цилиндре 15 для сгорания ГС, расширения и выпуска газообразных продуктов сгорания, имеются отверстие 18 для подачи сжатой ГС из зоны Б сжатия ГС, образованной во внутреннем объеме 29 цилиндра 1, в зону сгорания, образованную во внутреннем объеме 23 рабочего цилиндра 15, и отверстие 19 для выпуска газообразных продуктов сгорания в выхлопную трубу 9. Отверстия 17 и 18 находятся на концах перепускного патрубка 24 (фиг.1).
В перепускном патрубке 24 расположен клапан 11 (фиг.1), который открывается при прохождении цилиндрического ротора 2 через нижнюю точку НТ (фиг.3) и закрывается при перекрытии отверстия 17 выступом 12 цилиндрического ротора 2 при нахождении его в верхней точке ВТ (фиг.6). Отверстие 17 перекрывается клапаном 11 при сгорании ГС в зоне сгорания, образованной во внутреннем объеме 23 рабочего цилиндра 15.
При вращении и обкатке цилиндрическими роторами 2 и 13 по внутренней цилиндрической поверхности цилиндров 1 и 15 в цилиндре 1 ГС сжимается до 0,8-1,0 МПа и сжатая ГС перемещается из зоны Б цилиндра 1 в зону Д рабочего цилиндра 15 (фиг.5 и 6).
Открытие и закрытие клапана 11 происходит попеременно при вращении цилиндрических роторов 2 и 13 и перекрытии отверстий 17 и 18 выступами 12 соответствующего цилиндрического ротора.
В зоне сгорания, образованной во внутреннем объеме 23 рабочего цилиндра 15 имеется ниша, в которой расположена свеча зажигания 14, когда клапан 11 закрыт и отверстие 17 перекрыто выступом 12 цилиндрического ротора 2 при нахождении его в верхней точке ВТ цилиндра 1 (фиг.6) срабатывает искра. При этом объем горючей смеси Д в цилиндре 15 сжат до 0,8-1,0 МПа.
Управление работой клапана 11 осуществляется за счет применения механической передачи известным способом (на фиг.1 и 14 не показано) с коленчатого вала 4.
При обкатке цилиндрическими роторами 2 и 13 внутренней цилиндрической поверхности цилиндров 1 и 15 перегородки 7 образуют в цилиндре 1 две изолированные зоны: А - для всасывания ГС и Б - для сжатия ГС, а в рабочем цилиндре 15 две изолированные зоны: Д - для сгорания ГС и расширения газов и Е - для вытеснения газообразных продуктов сгорания ГС.
Верхняя часть 22 цилиндра 1 для всасывания и сжатия ГС и верхняя часть 22 рабочего цилиндра 15 для сгорания горючей смеси, расширения и выпуска газообразных продуктов сгорания с подпружиненными перегородками 7, которые расположены в каждом корпусе в верхних частях цилиндров, в поперечной плоскости смещены относительно друг друга на угол Z, при этом за счет указанного смещения перепускной патрубок 24 с отверстиями 17 и 18 выполнен прямым и коротким (фиг.2,3).
Для улучшения балансировки при вращении цилиндрических роторов 2 и 13 на коленчатый вал со стороны, противоположной роторным шейкам 5 и 6 устанавливаются противовесы 25, которые могут быть выполнены в виде продолжения щек (фиг.1 и 14). Для сохранения инерции вращения коленчатого вала 4 на его оси 3 крепиться маховик 8.
За один оборот на 360 градусов вокруг оси 3 и обкатки цилиндрическими роторами 2 и 13 всей внутренней поверхности цилиндров 1 и 15 происходит 4 стадии полного цикла:
а - впуск (всасывание) ГС (горючей смеси).
б - сжатие ГС.
в - сгорание ГС, расширение газов; рабочий ход.
г - выпуск газов.
Прижимные пружины 10, расположенные в верхней части 22 цилиндра 1, плотно прижимают перегородку 7 к цилиндрическому ротору 2, предотвращая прорыв ГС из зоны А для всасывания ГС в зону Б для сжатия ГС. Внешняя оболочка цилиндрического ротора 2 может быть изготовлена из эластичного прочного материала для улучшения процесса сжатия ГС.
В рабочем цилиндре 15 прижимные пружины 10 прижимают перегородку 7 к цилиндрическому ротору 13, предотвращая пропуск расширяющихся газов из зоны Д для сгорания ГС и расширения газов в зону Е для вытеснения газообразных продуктов сгорания ГС.
При выполнении перегородки в виде фрагмента цилиндрической оболочки 26, не закрепленный второй конец перегородки 26 перекрывает отверстие 28 в цилиндре 1. Перегородка 26 в рабочем цилиндре 15 закреплена на оси 21 и при вращении цилиндрического ротора 13, при прохождении от НТ до ВТ закрывает зону сгорания (фиг.15 и 16).
При работе двигателя клапан 11 открывается при нахождении цилиндрического ротора 2 в средней точке СТ (фиг.13), при этом цилиндрический ротор 13 в рабочем цилиндре 15 находится в нижней точке НТ (фиг.16). Клапан 11 закрывается при прохождении цилиндрическим ротором 2 в цилиндре 1 нижней точки НТ (фиг.11), при этом цилиндрический ротор 13 в рабочем цилиндре 15 находится в ВТ (фиг.15).
Искра зажигания от свечи 14 срабатывает в момент прохождения цилиндрическим ротором 13 в рабочем цилиндре 15 незакрепленного конца перегородки 26, выполненной в виде фрагмента оболочки, в верхней точке ВТ (фиг.15).
Оси цилиндрических роторов 2 и 13 смещены в поперечной плоскости на угол L (фиг.10). При вращении цилиндрического ротора 2 в цилиндре 1 ГС сжимается до давления 0,8-1,0 МПа и занимает объем Б при нахождении ротора 2 в средней точке СТ (фиг.13), при этом цилиндрический ротор 13 рабочем цилиндре 15 находится в нижней точке НТ(фиг.16).
При вращении цилиндрического ротора 2 от средней точки СТ до нижней точки НТ в цилиндре 1 (фиг.11) объем ГС сжатой до давления 0,8-1.0 МПа поступает в зону сгорания 27 рабочего цилиндра, при этом клапан 11 закрывается (фиг.13 и 11).
Выпуск газообразных продуктов сгорания ГС происходит через отверстие 19 в цилиндре 15 в выхлопную трубу 9 при вращении цилиндрического ротора 13 в рабочем цилиндре 15 от верхней точки ВТ до нижней точки НТ(фиг.15, 16 и 17).
Для увеличения мощности в ДВС на одном коленчатом валу последовательно соединяют несколько пар цилиндров всасывания и сжатия и рабочих цилиндров со сдвигом фаз рабочего цикла между парами цилиндров, что позволяет увеличить мощность двигателя.