ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к конструкциям двигателей внутреннего сгорания барабанно-поршневого типа с подвижными камерами сгорания и может быть использовано в автомобилестроении, при производстве других средств транспорта, а также в любых устройствах, в которых могут быть применены двигатели внутреннего сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с установленным в нем вращающимся блоком цилиндров, в котором выполнены цилиндрические камеры для размещения в них поршней, с силовым механизмом шестеренчато-кривошипно-шатунного типа и приводом [Патент RU 2309272 С1, МПК F02B 57/00, F01B 13/04, F02B 41/04. Опубликовано: 27.10.2007. Двигатель внутреннего сгорания. Автор: Малашенков Ю.К. Заявка: 2006121795/06, 19.06.2006] [1].
Конструкция известного двигателя отличается установкой блока цилиндров, в котором выполнены цилиндрические камеры с расположенными в них поршнями, в корпусе со смещением центра указанного блока цилиндров относительно центра корпуса, что конструктивно снижает надежность работы такой системы из-за ее неустойчивости. Указанный двигатель является довольно громоздкой конструкцией со значительным числом механических деталей, имеются также клапанные механизмы, а этот фактор также отрицательно сказывается на надежности двигателя. Возможность развивать большие скорости ограничена указанным в описании передаточным числом.
В качестве аналога может быть рассмотрен двигатель внутреннего сгорания, содержащий несколько цилиндрических камер, расположенных в определенной последовательности, вращающихся в корпусе вокруг цилиндрического вала. Корпус имеет отверстия для свечей зажигания, расположенных снаружи и отверстия для выпуска и входа в пространство цилиндрических камер [Заявка ЕР 1128035 А1, МПК F02B 57/08, F01B 13/06, F01B 13/04, F01B 1/12. Дата публикации: 29.08.2001. Internal-combustion engine. Заявитель: Huang, Shih-Pin (TW). Номер заявки: 00103438.8. Дата подачи: 28.02.2000] [2].
Известный двигатель обладает рядом существенных недостатков, указанных выше и присущих ряду конструкций двигателей с вращающимся блоком цилиндров. В данном двигателе даже небольшое наращивание мощности ведет к значительному увеличению деталей, а это ослабляет стабильную работу конструкции в целом. Кроме того, в известной конструкции применена обычная система зажигания (искровая высоковольтная), обладающая присущими ей недостатками.
7
Известен двигатель, содержащий неподвижный корпус в котором установлен вращающийся блок цилиндров с радиальными цилиндрическими камерами с поршнями, втулки которых делят камеры на две полости, с возможностью перемещения поршней в радиальном направлении при помощи шестеренчатого кривошипно-шатунного механизма [Патент RU 2213235 С2, МПК F02B 57/08. Опубликовано: 27.09.2003. Двигатель с вращающимся блоком цилиндров. Автор: Тихоновский B.C. Заявитель ООО «Консультативно-правовой центр». Заявка: 2001117030/06, 18.06.2001.] [3]
В известном двигателе ударные нагрузки, возникающие в момент воспламенения топлива принимает на себя преимущественно указанный выше шестеренчатый кривошипно-шатунный механизм. При этом силы, действующие на указанный механизм достаточно велики, что приводит к быстрому износу подшипников и возникновению люфта в шестернях, передающих вращающий момент.
2
В качестве наиболее близкого аналога может быть рассмотрен двигатель внутреннего сгорания, имеющий цилиндрический корпус, систему зажигания и приводной механизм. Корпус имеет торцевые крышки и отверстия для элементов зажигания, впуска топлива и выпуска отработанных газов. В цилиндрическом корпусе расположен барабан с возможностью вращения его в корпусе вокруг центральной оси двигателя, с которой совпадает ось коленвала, проходящего через отверстия на торцевых крышках. На поверхности барабана выполнены два и более отверстия для рабочих цилиндров, расположенных соосно или на на радиальных осях и обрамленных компрессионными и маслосъемными кольцами. Рабочие цилиндры снабжены поршнями, соединенными с шатунами [Патент US 4010719 A, Int. Cl. F02B 57/04, F02B 57/08. Rotary internal combustion engine / Lappa; Cleto L. (Pittsburgh, PA). - Заявка 05/543, 135; заявл. January 22, 1975.] [4].
Задачей изобретения является разработка стабильной в работе конструкции, имеющей небольшое количество элементов, хорошо скомпонованной, с большим ресурсом мощности, надежной и легко обслуживаемой, работа которой может быть обеспечена разными видами топлива.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение сложности конструкции, повышение надежности и стабильности работы двигателя, увеличение мощности двигателя, уменьшение размеров и веса конструктивных элементов, снижение загрязнения окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус, систему зажигания и приводной механизм. Цилиндрический корпус имеет торцевые крышки и отверстия для элементов зажигания, для впуска топлива и выпуска отработанных газов. В цилиндрическом корпусе расположен барабан с возможностью его вращения в корпусе вокруг центральной оси двигателя, с которой совпадает ось коленвала, проходящего через отверстия на торцевых крышках, на поверхности барабана выполнены два и более отверстия для рабочих цилиндров, расположенных соосно или на радиальных осях и обрамленных компрессионными и маслосъемными кольцами, рабочие цилиндры снабжены поршнями, соединенными с шатунами. Цилиндрический корпус имеет отверстия для компрессионных втулок, при этом поверхность барабана имеет технологические углубления для уменьшения трения при работе двигателя и выступающую часть в виде дорожки по всей поверхности барабана, служащую для закрывания отверстий в цилиндрическом корпусе. При такте зажигания воспламенение топлива позволяет обеспечить сгорание чистого топлива, находящегося в рабочем цилиндре, и топливной смеси, образующейся из чистого топлива и остаточных выхлопных газов, находящейся в пространстве, регулируемом компрессионной втулкой.
На одной из торцевых сторон барабана выполнены выступы, на которых расположены оси для шестерен приводного механизма, содержащего блок зубчатых шестерен, примыкающий к торцевой поверхности барабана, указанный блок состоит из большой шестерни с зубьями, расположенными на ее внутренней поверхности, и взаимодействующих с ней двух шестерен, надетых на оси барабана и расположенных симметрично относительно центральной оси двигателя, и малой шестерни, жестко закрепленной на коленвале, ось которого совпадает с центральной осью двигателя, при этом большая шестерня закреплена на цилиндрическом корпусе двигателя с возможностью небольшого поворота.
Приводной механизм двигателя внутреннего сгорания может быть выполнен в виде блока зубчатых шестерен, примыкающего к торцевой поверхности барабана, в блок входит большая шестерня, неподвижно закрепленная на торцевой поверхности барабана и взаимодействующие с ней симметрично расположенные шестерни, надетые на оси кронштейна, выполненного в виде бруска с центральным отверстием для коленвала и прикрепленного к торцу цилиндрического корпуса двигателя, малая шестерня жестко закреплена на коленвале.
Система зажигания двигателя внутреннего сгорания может быть искровой или представлять собой замкнутый контур с протекающим по нему слабым током и состоять из элемента зажигания в виде проволоки из тугоплавкого металла, генератора тока и элемента питания в виде батарейки или аккумулятора, при этом элементы зажигания распределены по поверхности цилиндрического корпуса.
Компрессионные втулки расположены в отверстиях цилиндрического корпуса с цилиндрическими выступами и каждая из них представляет собой завинчивающуюся пробку цилиндрической формы с покрывающей ее крышкой, на внутренней поверхности крышки расположена резьба для установки втулки в отверстие на корпусе при помощи резьбового соединения.
Конструкция двигателя внутреннего сгорания иллюстрируется чертежами.
Фиг.1 - продольный разрез двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.2 - корпус барабана в аксонометрической проекции.
Фиг.3 - поперечный разрез двигателя.
Фиг.4 - приводной механизм двигателя при вращении барабана и коленвала в одну сторону.
Фиг.5 - изображение двигателя с приводным механизмом, обеспечивающим противоположное вращение барабана и коленвала.
Фиг.6 - продольный разрез двигателя внутреннего сгорания с приводным механизмом, показанным на Фиг.5.
Фиг.7 - схема поперечного сечения двигателя при установленном (рабочем) состоянии поршней.
Фиг.8 - развертка внутренней поверхности цилиндрического корпуса двигателя и перемещение отверстий корпуса при положениях поршня в нижней мертвой точке и в верхней мертвой точке.
Фиг.9 - узел крепления большой шестерни к цилиндрическому корпусу, обеспечивающий поворот большой шестерни относительно центральной оси двигателя на небольшой угол.
Силовой блок содержит цилиндрический корпус 1, имеющий отверстия для четырех элементов зажигания 2, отверстия с цилиндрическими выступами 3 для компрессионных втулок 4, отверстия для топлива 5 и отверстия для выпуска газа 6. С одного торца цилиндрический корпус 1 имеет стенку 7 с отверстием в центре. С обеих сторон цилиндрический корпус 1 имеет торцевые крышки 8 с отверстиями, вокруг которых расположены наружные цилиндрические выступы 9. В полости цилиндрического корпуса 1 расположен барабан 10 с возможностью осуществления его вращения вокруг центральной оси 11 двигателя, на которой расположен коленвал 12. Концы коленвала 12 вставлены в отверстия с выступами 9 торцевых крышек 8. В барабане предусмотрены два и более цилиндрических отверстия для рабочих цилиндров 13. В рабочих цилиндрах 13 расположены поршни 14 и соединенные с ними и с коленвалом 12 шатуны 15. На одной из торцевых сторон барабана 10 имеются выступы 16, на которых перпендикулярно к их поверхностям расположены оси 17.
Приводной механизм (Фиг.1 и Фиг.4) выполнен в виде блока зубчатых шестерен, примыкающего к торцу барабана 10 со стороны осей 17. Блок зубчатых шестерен состоит из малой шестерни 18, жестко закрепленной на коленвале 12, и имеющих с ней сцепление шестерен 19, надетых на силовые оси 17, и большой шестерни 20 с зубъями на ее внутренней поверхности, объединяющей блок шестерен. Большая шестерня 20 прикреплена к цилиндрическому корпусу 1 с возможностью ее поворота на небольшой угол относительно центральной оси двигателя для корректировки опережения зажигания.
Приводной механизм может иметь иное устройство (Фиг.5 и Фиг.6). В этом случае большая шестерня 20 неподвижно закреплена на торцевой поверхности барабана 10. Шестерни 19 надеты на оси 21 кронштейна 22, выполненного в виде бруска с отверстием в центре для коленвала 12. Кронштейн 22 прикреплен к торцу цилиндрического корпуса 1, например, при помощи болтового соединения 23.
При устройстве системы зажигания, работающей в режиме постоянного разогрева элемента зажигания, она содержит элемент зажигания в виде проволоки из тугоплавкого металла, генератор тока и элемент питания в виде батарейки или аккумулятора. Устройство системы зажигания более подробно изложено в заявке RU 2006117294 А, F02B 53/00, 2007. Элементы зажигания 2 расположены через равные промежутки на радиальных линиях центральной поперечной плоскости цилиндрического корпуса 1. Для обеспечения опережения зажигания большая шестерня 20 крепится с возможностью ее поворота относительно центральной оси двигателя на небольшой угол. Система зажигания может быть исключена при дизельном варианте работы двигателя.
Компрессионная втулка 4 представляет собой завинчивающуюся пробку цилиндрической формы с покрывающей ее крышкой. На внутренней поверхности крышки имеется резьба для установки втулки в отверстие на цилиндрическом корпусе 1. Отверстия под компрессионные втулки 24 имеют цилиндрические выступы.
На поверхности барабана 10 выполнены два и более отверстия для рабочих цилиндров, обрамленные компрессионными и маслосъемными кольцами 25.
На внешней поверхности барабана 10 могут быть предусмотрены углубления 26 определенной конфигурации, которые служат вспомогательным средством для смазки вращающихся поверхностей. Выступающая часть в виде дорожки по всей поверхности барабана служит для закрывания рабочих отверстий в цилиндрическом корпусе (Фиг.2).
Цилиндрический корпус 1 может иметь ребра жесткости для избежания его возможной деформации от действия сил, возникающих в момент максимального давления в камерах сгорания.
Один из вариантов обеспечения возможности небольшого поворота большой шестерни 20 относительно центральной оси двигателя показан на Фиг.9. По ободу большой шестерни выполнены сквозные вытянутые отверстия 27, в которые вставляют болты крепления 28 и закрепляют их в резьбовых отверстиях 29 цилиндрического корпуса 1. Таким образом может быть обеспечен поворот большой шестерни на небольшой угол относительно центральной оси двигателя с целью обеспечения опережения зажигания.
Работа двигателя происходит с использованием четырех тактов работы механизма: всасывание, сжатие, зажигание и выхлоп.
При первом такте может происходить всасывание различных компонентов топлива. Это может быть не только газообразная фракция или бинарное топливо, но и многокомпонентное топливо, состоящее из 3-4-х и более составляющих. При этом такте имеется возможность изменять очередность поступления топливных компонентов, их объем, осуществлять одновременную подачу топлива, используя пространство рабочих цилиндров 13 в качестве смесителя для топлива, аналогично карбюратору. Происходит всасывание чистого топлива.
Такт сжатия мало отличается от аналогичного такта в известных обычных двигателях внутреннего сгорания. Отличием является сжатие практически всего объема топлива. Конструкция компрессионных втулок 4 позволяет использовать различные уровни компрессии для различного топлива.
При такте зажигания воспламенение топлива позволяет обеспечить сгорание двух его фракций: чистого топлива, находящегося в камере сгорания (рабочем цилиндре 13), и топливной смеси, образующейся из чистого топлива и остаточных выхлопных газов и находящейся в пространстве, регулируемом компрессионной втулкой 4.
При такте выхлопа происходит полный выброс отработанных газов.
Внутри цилиндрического корпуса 1 с небольшой скоростью вращается барабан 10, имеющий, например, два рабочих цилиндра 13 (Фиг.1 и Фиг.3). Расположенный на центральной оси двигателя и барабана коленвал вращается с большой скоростью, обеспечиваемой работой поршней 14 и шатунов 15. При работе приводного механизма положение поршней в нижней мертвой точке и в верхней мертвой точке определено в местах, расположенных по периметру окружности корпуса-цилиндра. Для рассматриваемого варианта конструкции скорость вращения коленвала 12 больше скорости вращения барабана 10 в девять раз. При воспламенении топлива коленвал делает поворот на угол 202,5° и переходит из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, при этом барабан поворачивается на угол, равный 22,5°. Далее барабан 10 повернется еще на угол, равный 22,5°, а поршень 14 возвратится в верхнюю мертвую точку. При этом коленвал 12 сделает один полный оборот относительно корпуса барабана 10. Таким образом, вращение барабана, осуществляемое при помощи приводного механизма, определяет местоположение рабочих цилиндров 13 при нахождении поршней 14 в нижней мертвой точке и в верхней мертвой точке на определенных местах внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Описанный выше цикл повторяется. Перемещение отверстий рабочих цилиндров 13 с установленными в них поршнями 14 даны на изображении развертки цилиндрического корпуса на Фиг.8.
При вращении коленвала 12 с малой шестерней 18, жестко закрепленной на нем, вращающий момент передается на две шестерни 19, находящиеся в зацеплении с малой и расположенные на осях 17 барабана 10 (Фиг.1 и Фиг.4). Указанные шестерни 19 взаимодействуют с большой шестерней 20, закрепленной на цилиндрическом корпусе 1. Соотношение диаметров малой шестерни 18, одной из двух симметрично расположенных шестерен 19 и большой шестерни 20 составляет соответственно отношение 1:4:9. На каждый оборот барабана 10 приходится девять оборотов коленвала 12. Таким образом, при скорости вращения вала двигателя, равной 5400 оборотов/мин, угловая скорость барабана составит 10 оборотов/сек.
При устройстве приводного механизма с противоположным вращением коленвала 12 и барабана 10 (Фиг.5 и Фиг.6) момент боковой силы в пальце поршня действует в сторону вращения барабана. Соотношение диаметров шестерен (малой, одной из двух средних и большой) в этом случае при аналогичных позициях барабана или поршней составляет 1:3:7 соответственно.
Барабанно-поршневой двигатель с подвижной камерой сгорания имеет широкие возможности для модификации конструкции. Коленчатый вал двигателя может быть одно-, двух- и более коленным. Увеличения мощности двигателя можно достичь увеличением длины барабана с добавлением количества рабочих цилиндров, располагаемых по длине барабана. Для улучшения надежности и износостойкости приводного механизма достаточно увеличить ширину шестерен или их диаметр.
Конструктивное решение двигателя предусматривает улучшение параметров трения-скольжения цилиндрических поверхностей при работе двигателя. Углубления 26 на внешней поверхности барабана способствуют эффективной смазке этих поверхностей.
Компрессионные и маслосъемные кольца 25, расположенные вокруг отверстий рабочих цилиндров 13, предназначены для надежной компрессии. Указанные кольца 25 выполнены таким образом, что радиус выпуклой стороны кольца равен радиусу вогнутой внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1.
Двигатель внутреннего сгорания обеспечивает более совершенный процесс сгорания топлива. В известных двигателях при всасывании топлива происходит смешивание его с остатками выхлопных газов в головке цилиндров. В данном двигателе происходит всасывание практически чистого топлива. При сжатии топлива и перемещении цилиндрической стенки барабана 10 открывается отверстие компрессионной втулки 4, в котором остаются отработанные газы от предыдущего выхлопа. Под действием высокого давления чистого топлива в рабочей камере часть топлива поступает в компрессионную втулку до конца воспламенения топлива. При этом образуются две зоны топлива. Зона чистого топлива соприкасается с открывающимся элементом зажигания, находящимся в основной камере сгорания. Вторая зона образуется в компрессионной втулке и состоит из смеси чистого топлива и оставшихся отработанных газов до момента воспламенения. При рабочем ходе и выхлопе отверстие компрессионной втулки закрывается, а поршень в верхней мертвой точке, максимально приближаясь к цилиндрической стенке цилиндрического корпуса 1, практически полностью выталкивает отработанные газы. При следующем такте всасывания поступает практически чистая порция топлива.
Большими преимуществами предлагаемого технического решения является простота конструкции, обусловленная малым количеством деталей, и симметричность расположения элементов двигателя, из-за этого отсутствуют вибрация и неравномерные напряжения, а следовательно, повышается надежность и стабильность работы двигателя.
Источники информации
1. Патент RU 2309272 C1, МПК F02B 57/00, F01B 13/04, F02B 41/04. Опубликовано: 27.10.2007. Двигатель внутреннего сгорания. Автор: Малашенков Ю.К. Заявка: 2006121795/06, 19.06.2006.
2. Заявка ЕР 1128035 A1, МПК F02B 57/08, F01B 13/06, F01B 13/04, F01B 1/12. Дата публикации: 29.08.2001. Internal-combustion engine. Заявитель: Huang, Shih-Pin (TW). Номер заявки: 00103438.8. Дата подачи: 28.02.2000.
7
3. Патент RU 2213235 C2, МПК F02B 57/08. Опубликовано: 27.09.2003. Двигатель с вращающимся блоком цилиндров. Автор: Тихоновский B.C. Заявитель ООО «Консультативно-правовой центр». Заявка: 2001117030/06, 18.06.2001.
2
4. Патент US 4010719 A, Int. C1. F02B 57/04, F02B 57/08. Rotary internal combustion engine / Lappa; Cleto L. (Pittsburgh, PA). - Заявка 05/543,135; заявл. January 22, 1975.