ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с изменяющейся степенью сжатия.
Прототипом является поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с камерой сгорания и поршнем, ротор в корпусе, периодически соединяющий полость цилиндра с входным и выходным отверстиями камеры сгорания [US 5111783 А, 1992].
Недостатками прототипа являются:
- недостаточно высокие эксплуатационные характеристики, связанные с отсутствием турбулизации горючей смеси в камере сгорания, а также невозможность изменения степени сжатия, что сопровождается значительным выбросом вредных веществ с отработавшими газами на переходных режимах.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно снижение вредных выбросов в атмосферу и повышение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с поршнем и ротор в корпусе, кинематически связанный с коленчатым валом и периодически соединяющий полость цилиндра с входным и выходным отверстиями камеры сгорания, ротор выполнен с лопатками, образующими с поверхностью ротора между ними камеру сгорания, причем ротор кинематически связан с роликами, имеющими впадины для пропуска лопаток и разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры, из которых одна сообщена с полостью цилиндра, при этом в роторе соосно и с возможностью вращения установлен вал, диаметр которого равен диаметру ротора.
На валу в радиальном направлении выполнена, по крайней мере, одна выемка. Ширина выемки на поверхности вала меньше расстояния на поверхности ротора между лопатками. Конец вала выступает за торец ротора. Выступающий конец выполнен в виде зубчатого колеса. Выступающий конец выполнен в виде червячного зубчатого колеса.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение ротора с лопатками, образующими с поверхностью ротора между ними камеру сгорания, и соединение ротора с роликами, имеющими впадины для пропуска лопаток и разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры, из которых одна сообщена с полостью цилиндра, позволяет производить замену рабочего тела без газораспределительного механизма, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. При этом происходит перемещение лопатками горючей смеси во время ее впуска и в процессе сжигания. Это обеспечивает ее турбулизацию, улучшает процесс сгорания, что, в свою очередь, повышает КПД и снижает выброс вредных веществ в атмосферу, повышая в конечном счете эксплуатационные характеристики. Перемещение лопатками горючей смеси по направлению к фронту пламени в процессе ее сжигания увеличивает скорость горения смеси. Во-первых, холодная свежая смесь, продвигаясь к очагу горения с высокой температурой, быстрее прогревается, и период индукции (ее воспламенения) уменьшается. Во-вторых, движущаяся смесь способствует лучшему отводу продуктов горения от фронта пламени, благодаря чему происходит более полное сгорание. Это также повышает эксплуатационные характеристики. Кроме того, появляется возможность реверса коленчатого вала, что также повышает эксплуатационные характеристики ДВС.
Установка в роторе соосно и с возможностью вращения вала, диаметр которого равен диаметру ротора, и в котором в радиальном направлении выполнена, по крайней мере, одна выемка, дает возможность изменять степень сжатия путем размещения в камере сгорания выемки определенной глубины (объема), что повышает эксплуатационные характеристики ДВС.
Выполнение ширины выемки на поверхности вала меньше расстояния на поверхности ротора между лопатками позволяет исключить выброс газов из камеры в процессе горения смеси, что повышает эксплуатационные характеристики за счет всего объема сгорания смеси.
Выступание конца вала за торец ротора упрощает процесс регулировки степени сжатия, что повышает надежность и эксплуатационные характеристики.
Выполнение выступающего конца в виде зубчатого колеса позволяет не только сравнительно просто регулировать степень сжатия, например поворотом колеса червяком на определенный угол, но и охлаждать выемку камеры сгорания, например, путем периодического обдувания поверхности вращающегося вала воздухом. Охлаждение камеры сгорания изнутри одновременно с перемещением ее позволяет, во-первых, более эффективно охлаждать камеру, поскольку во время сгорания смеси в первую очередь происходит нагрев внутренней поверхности камеры сгорания. Во-вторых, появляется возможность упрощения системы охлаждения двигателя, что повышает его надежность.
Выполнение конца в виде червячного зубчатого колеса способствует автоматической фиксации (за счет самоторможения) нужного положения выемки в процессе изменения степени сжатия, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала удаления продуктов горения. На фиг. 2 изображена схема положения деталей двигателя в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки. На фиг. 3 изображена схема положения деталей двигателя в момент окончания заполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью. На фиг. 4 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала горения смеси. На фиг. 5 изображен разрез А-А двигателя.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор 4 с лопастями 5, кинематически связанный с коленчатым валом и с роликами 6, имеющими впадины 7 для пропуска лопаток, разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры 8 и 9, из которых последняя сообщена с полостью 10 цилиндра, в которой с возможностью перемещения вдоль оси размещен поршень 11, соединенный с коленчатым валом. В корпусе может быть установлена свеча 12 с электродом 13, а также форсунка (не показана). В роторе соосно и с возможностью вращения установлен равного диаметра вал 14 с радиальными выемками 15, 16 разного объема, имеющий конец 17, на котором выполнено зубчатое колесо 18.
Работает двигатель следующим образом.
Для работы двигателя в четырехтактном режиме (при использовании трехлопастного ротора) передаточное отношение от коленчатого вала к ротору должно быть равно 6, а от роликов к ротору - 1,5. После окончания рабочего хода поршня 11 и прохождения им нижней мертвой точки (НМТ) происходит удаление продуктов сгорания из камеры 9 и полости 10 цилиндра через выпускное окно 3 (фиг. 1). Продукты сгорания будут удаляться не только посредством поршня 11, но и с помощью лопатки II ротора 4, которая в процессе движения (поворота) будет перемещать их в сторону выпускного окна 3. Одновременно за этой лопаткой движется свежая горючая смесь, поступающая через входное окно 2. Большая часть сечения полости цилиндра оказывается соединенной с выпускным окном 3, поэтому основная масса продуктов сгорания будет уходить в выпускное окно 3, к тому же, поступлению продуктов сгорании в левую (от лопатки II) часть камеры 9 препятствует находящаяся там свежая смесь. Однако нельзя исключить возможность частичного попадания туда (перемешивания со смесью) небольшого количества продуктов горения, в результате чего будет иметь место эффект рециркуляции дымовых газов.
При прохождении поршнем расстояния от НМТ до верхней мертвой точки (ВМТ) коленчатый вал повернется на угол 180°, а ротор 4 - на 30°. В результате этого лопатка II займет вертикальное положение, разделяя сечение полости цилиндра 10 на две равные части (фиг. 2). Лопатка II будет продолжать вытеснять продукты сгорания в выпускное окно 3, увеличивая при этом площадь сечения полости 10 цилиндра, сообщаемую с впускным окном 2, и уменьшая соответственно ту часть сечения полости, которая связана с выпускным окном 3. Поршень 11 будет двигаться вниз, осуществляя интенсивное всасывание свежей смеси из впускного окна 2 в полость цилиндра.
При приближении поршня к НМТ лопатка III начнет перекрывать впускное окно 2 и затем разобщать его с полостью 10 цилиндра, а лопатка II - разобщать указанную полость с выпускным окном 3 (фиг. 3, 5). После прохождение поршнем НМТ начнется сжимание свежей смеси, находящейся между лопатками II и III, а также в выемке 15 вала 14.
К моменту подхода поршня к ВМТ смесь окажется сжатой в камере сгорания, образованной лопатками II, III, находящимися между ними поверхностью ротора 4 и выемкой 15, а также стенками корпуса 1 (частью камеры 9) (фиг. 4). Сжатую смесь поджигают посредством свечи 12, посредством подачи на электрод 13 высокого напряжения, в результате чего поршень совершает рабочий ход. Поскольку давление газов одинаково действует на обе лопатки, то практически никакого противодействия повороту ротора оно не оказывает. После этого цикл работы двигателя повторяется. В процессе сгорания лопатка III перемещает (пододвигает) смесь к источнику зажигания (к фронту пламени), в результате чего увеличивается скорость ее сгорания, а также происходит турбулизация смеси. После прохождения лопаткой I ролика 6 ее можно охлаждать, например, струей воздуха, омывающего ее поверхности и поверхность ротора 4. Благодаря этому устраняется существенный недостаток, присущий роторно-лопастным двигателям, в которых лопатки испытывают большую тепловую нагрузку.
Аналогичным образом двигатель будет работать в режиме дизеля, если вместо смеси засасывать окислитель (воздух), а зажигание заменить впрыском топлива. Кроме того, впрыск топлива можно осуществлять и непосредственно после всасывания окислителя, например, с помощью форсунки, что соответствует режиму работы двигателя с впрыском топлива.
Для изменения степени сжатия посредством колеса 18 поворачивают вал 14 за конец 17 на 90°, в результате чего (в данном случае) степень сжатия окажется максимальной. Если повернуть вал 14 выемкой 16 вниз, то степень сжатия будет минимальной. Заметим, что поворот вала при работающем двигателе желательно производить на такте удаления отработавших газов, чтобы исключить прорыв свежей горючей смеси, например, на такте сжатия, через выемку и край лопатки в выхлопную систему.
Внедрение изобретения позволит создать ДВС упрощенной конструкции как самого двигателя (без газораспределительного механизма), так и систем смазки и охлаждения. При этом появляется возможность изменять степень сжатия двигателя, что позволит улучшить характеристики двигателя на переходных режимах, а также использовать различные топлива для его работы.