ОДНОВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SINGLE-WAVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Одноволновой двигатель внутреннего сгорания (ОВДС) относится к области машиностроения. Изобретение может найти применение в приводах самых разных систем наземного, надводного, подводного и воздушного транспорта, а также в приводах различных силовых установок. ОВДС преобразует энергию находящегося под давлением воздуха или иного газа и энергию импульсно сгораемого топлива в энергию вращательного движения выходного вала.
Выполняя те же функции традиционных двигателей внутреннего сгорания (всех, как карбюраторных и инжекторных, так и дизельных), ОДВС отличается тем, что в нем вместо рычажного кривошипно-шатунного механизма (прототип) используется существенно более сбалансированный волновой механизм. Использование вместо рычажного кривошипно-шатунного механизма волновым механизмом с одной волной деформирования гибкого колеса дает ОДВС ряд преимуществ. При одинаковом крутящем моменте на выходном валу и при той же угловой скорости его вращения из-за снижения уровня динамических и инерционных нагрузок ОДВС позволяет:
- заметно снизить расход топлива и повысить КПД двигателя;
- существенно снизить массу и габариты двигателя;
- использовать для изготовления деталей ОДВС (кроме гибкого и жесткого колес) более дешевые материалы и более простые технологии;
- изготавливать все корпусные и неподвижные детали из менее прочных неметаллических материалов, например из пластмасс или керамики;
- из-за резкого снижения поверхностей взаимно трущихся деталей существенно снизить потребность в смазочных материалах.
ОДВС состоит из: распределителя в виде пневмо(газо)деформатора с двумя соосными внешним неподвижным и внутренним подвижным дисками, вставленных один в другой с минимальным равномерным радиальным зазором, обеспечивающим беспрепятственное вращение внутреннего диска от маломощного электродвигателя управления; из подвижного жесткого колеса, соединенного с выходным валом и из неподвижного гибкого колеса.
Для повышения мощности ОДВС и снижения возникающей в нем неуравновешенности динамических сил на подвижное жесткое колесо и вращающийся диск пневмо(газо)деформатора двигатель позволяет групповое (рядное) объединение в осевом направлении нескольких (К=3, 5, 7, и т.д.) гибких колес, выполненных, например, в виде кольцевых пружинных пакетов [1, 2] с одноволновым зацеплением зубьев каждого из них, синхронно работающих с общим жестким колесом. При этом волны зацепления двух смежных гибких колес должны быть развернуты относительно друг друга на 180 градусов. Причем ширину зубчатого венца каждого гибкого колеса желательно подбирать из условия, чтобы общая длина и количество работающих зубьев жесткого колеса в противоположных волнах зацепления в каждый момент времени имели бы соответственно одинаковые значения. Такому условию удовлетворяет наиболее простой вариант из трех гибких колес (К=3).
Неподвижный внешний диск пневмо(газо)деформатора (аналог [3, 4]) соединен жестко с гибким колесом (или с К параллельно рядно расположенными гибкими колесами) и содержит по М (М=8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 26; 28; 30; 32; 34; 36 и т.д.) радиальных каналов для подвижных плунжеров-толкателей в плоскости каждого гибкого колеса. Под подвижными плунжерами-толкателями устраиваются специальные камеры сгорания.
В подвижном диске пневмо(газо)гидродеформатора содержится по N (N=3; 5; 7; 9; 11; 13; 15; 17; 19; 21; 23; 27; 29 и т.д.) радиальных каналов в плоскости каждого гибкого колеса. Они служат для импульсной подачи высокого давления воздуха или иного газа под подвижные плунжеры-толкатели из общего центрального канала высокого давления, расположенного в полости входного вала. Между радиальными каналами высокого давления в плоскости каждого гибкого колеса расположены по N межканальных объемных полостей низкого давления. Они имеют радиальные отверстия со стороны внешнего диаметра, с их симметричным расположением между концевыми отверстиями каналов высокого давления соответствующего ряда, для сброса отработанных воздуха или иного газа и продуктов сгорания. При этом все полости низкого давления всех рядов сообщаются между собой и имеют общий выход в центральный осевой канал низкого давления, который располагается в полости выходного вала.
Количества каналов в неподвижном и подвижном дисках М и N не должны быть равными (М≠N) и кратными. Они не должны иметь общих множителей и их можно менять местами. Значения М и N подбираются, а диаметры дисков и отверстий рассчитываются таким образом, чтобы каждое смежное гибкое колесо, получив одну волну деформирования, вошло в зубчатое зацепление с общим жестким колесом в зонах зацепления развернутых друг относительно друга на 180 градусов. Суммарная длина рабочих частей зубьев жесткого и гибкого колес в противоположных зонах зацепления должна иметь одинаковое значение. Это условие обеспечивает существенное снижение уровня неуравновешенности динамических нагрузок от пульсирующих сил со стороны плунжеров-толкателей на гибкие колеса и порождаемых ими сил зубчатого зацепления. При этом одновременно в рабочем положении в одной волне зацепления каждого гибкого колеса должны находиться от одной третьей до двух третей смежных плунжеров-толкателей одного ряда. Все остальные плунжеры-толкатели этого ряда к этому времени освобождаются от давления воздуха или иного газа и продуктов сгорания. Такие условия обеспечивают для каждого из гибких колес одну волну зацепления, по форме близкую к зацеплению по дуге с постоянным радиусом, равным радиусу окружности впадин жесткого колеса. Тем самым создается практически самоуравновешенная система динамических радиальных сил на жесткое колесо и подвижный диск пневмо(газо)деформатора, освобождая их и подшипники качения входного и выходного валов от неуравновешенных нагрузок. При этом также увеличивается величина крутящего момента при котором происходит «проскок» зубьев волнового зацепления.
в
д
При вращении внутреннего диска через радиальные каналы из его входящего центрального канала высокое давление поочередно импульсно подается в камеры под подвижные плунжеры-толкатели, которые, двигаясь, создают последовательность силовых радиальных импульсов на гибкое колесо (колеса). Тем самым в нем (них) создается подвижная волна деформирования, что приводит гибкое колесо (колеса) в одноволновое зацепление с жестким колесом. Угловая скорость волны деформирования гибкого колеса (колес) определяется соотношением: ω=ω*N, где:
в
ω - угловая скорость волны деформирования гибкого колеса;
д
ω - угловая скорость внутреннего подвижного диска;
N - число радиальных каналов высокого давления в подвижном диске.
В качестве топлива ОДВС используется как углеводородное, так и любое иное жидкое или газообразное топливо, которое может импульсно подаваться в камеры под подвижные плунжеры-толкатели. В неподвижном диске пневмо(газо)деформатора около каждого радиального канала для плунжера-толкателя устроены по 2-а смежных дополнительных радиальных канала. В них по открытым контурам закреплены со стороны подвижного диска глухие пальчиковые мягкие оболочки. В ненагруженном состоянии они касаются своей внешней глухой стороной (куполами) других мягких оболочек, имеющих форму тора, которые расположены вокруг каналов с подвижными плунжерами. Во внутренние полости торовых оболочек по специальному круговому каналу (каналам) в неподвижном диске непрерывно из внешних емкостей (баков) подается углеводородное или иное газообразное или жидкое топливо. Эти каналы одновременно выполняют функцию первичного контура охлаждения. При подаче импульсов давления от рабочего вещества во внутренние полости пальчиковых оболочек, деформируясь, они импульсно нагружают торовые оболочки. Через специальные жиклеры-дозаторы газообразное или жидкое топливо из полости торовой оболочки, импульсно поджатой куполом пальчиковой оболочки, поступает в полость (камеру сгорания) под подвижные плунжеры-толкатели. Возникающий при возгорании горючей смеси импульс более высокого давления (порядка 100-200 атмосфер) существенно увеличивает величину радиальной силы дополнительного прижатия соответствующего поршня-толкателя к гибкому колесу, увеличивая тем самым силы зубчатого волнового зацепления. Вследствие этого увеличивается крутящий момент и в волновом зацеплении, и на выходном валу ОВДС.
Для подачи топлива и охлаждающей жидкости из внешних емкостей используются те же системы подачи, которые ныне отработаны у двигателей внутреннего сгорания, созданных на основе рычажных кривошипно-шатунных механизмов.
Следует отметить, что в этом случае в качестве первичного контура системы охлаждения ОВДС выступают расположенные в неподвижном диске окружные каналы подачи топлива (малый первичный контур охлаждения). В качестве дополнительной системы охлаждения там же устроены специальные окружные каналы для прокачки охлаждающей жидкости (вторичный контур охлаждения).
В ОДВС используются те же системы зажигания, которые ныне отработаны у двигателей внутреннего сгорания, созданных на основе рычажных кривошипно-шатунных механизмов.
Список литературы
1. Патент РФ №2075670 «Планетарный редуктор». Автор Клеников С.С. Зарегистрировано в Роспатенте 20.03.1997.
2. Разработка математической модели расчета пружинного пакета волнового редуктора методом конечных элементов (МКЭ) - М.: Известия высших учебных заведений (вузов). Машиностроение, 2008, №11, с.25-30. Авторы Клеников С.С., Майков А.И.
3. Патент RU №2330196 C1, «Плунжерный газогидродвигатель», опубл. 27.07.2008. Автор Каракулов М.Н. и др.
4. Патент RU №2278979 C1, «Плунжерный газогидравлический двигатель», опубл. 27.06.2006. Автор Каракулов М.Н. и др.