ТУРБОКОМПРЕССОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TURBO-COMPRESSOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к двигателям, используемым для превращения энергии сгорания в энергию вращения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Применение сгорания топливовоздушной смеси для получения энергии вращения в поршневых двигателях внутреннего сгорания, поворотных двигателях и пр. хорошо известно. Помимо стехиометрии один двигатель отличается от другого с механической точки зрения системой, используемой для поступления воздуха в двигатель, впрыска топлива, сжатия топливовоздушной смеси, регулирования коэффициента сжатия, воспламенения топлива и превращения энергии сгорания в энергию вращения.
Аспекты, оказывающие наибольшее влияние на цикл всасывания, включают время поступления воздуха при допущении того, что воздушная заслонка широко открыта. Например, для обычного поршневого двигателя, для всасывания воздуха внутрь цилиндра это время составляет 0,03 сек при 1000 об/мин, 0,01 сек при 3000 об/мин, 0,006 сек при 5000 об/мин и т.д. Меньшее время обуславливает меньший объем поступающего воздуха, более низкое соотношения воздуха и топлива, более низкий коэффициент сжатия, более низкое значение энергии сгорания и приводит к неполному сгоранию топлива, что, в свою очередь, приводит к загрязнению окружающей среды. Хорошо известно, что работа с бедной топливовоздушной смесью (то есть с избытком окислителя) или с турбонаддувом повышает эффективность при стехиометрии топливовоздушной смеси по массе, однако турбонаддув требует использования дополнительных комплектов вращающих механизмов, которые не только усложняют конструкцию двигателя, но и приводят к увеличению его веса и замедляют свободное течение потока выхлопных газов.
С другой стороны, сама концепция всасывания и расширения при ограниченном объеме цилиндра неверна независимо от типа двигателя. При цикле расширения масса воздуха быстро увеличивается с образованием гораздо большего объема воздуха, таким образом, если не обеспечивается достаточного объема для полного использования энергии расширения, значительная часть воздуха будет выброшена в атмосферу. Громкий звук из выхлопного отверстия при работе любого типа двигателя является показателем таких бесполезных выбросов. Очевидно, что вопрос низкой эффективности двигателей внутреннего сгорания, независимо от типа двигателя, не может быть разрешен без достижения полного использования энергии расширения.
Другой проблемой является вращающий момент, при котором энергия расширения превращается в энергию вращения. Идеальной ситуацией для достижения максимального вращающего момента является приложение силы расширения к диску вращающегося колеса касательно к окружности колеса. Эта цель еще не была достигнута в существующих конструкциях двигателей.
Еще одна проблема связана с самовоспламенением сжатой топливовоздушной смеси по причине высокой температуры и чрезмерного сжатия. Ограничение эффективности работы двигателей обуславливается невозможностью обеспечения ровного сгорания топлива при высоком коэффициенте сжатия. Для регулирования сжатия с целью обеспечения оптимальной работы двигателя с учетом всех переменных, включая температуру, атмосферное давление, тип топлива и т.п., используется система с переменной степенью сжатия.
Еще одна проблема связана с перебросом, имеющим место при выхлопе. При движении поршня и шатуна двигателя от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке они накапливают механический момент. В ходе цикла сжатия, вследствие наличия топливовоздушной смеси над поршнем, этот момент нейтрализуется, но в ходе цикла выхлопа над поршнем какого-либо сопротивления не наблюдается, центробежная сила, особенно при более высоких скоростях вращения, приводит к увеличению веса поршня и шатуна, что создает значительное сопротивление вращению коленвала. Снижение веса поршня и шатуна до какой-то степени сглаживает эту проблему, но, поскольку вес не может быть приведен к нулю, в существующих конструкциях двигателей эта проблема не может быть решена.
Если значительная часть энергии сгорания не будет превращена в энергию вращения, она конвертируется в тепло в таких объемах, что это может вызвать поломку двигателя, если двигатель не охлаждается. Охлаждение двигателя требует наличия системы охлаждения, которая состоит из двойного блока цилиндров, радиатора, насоса подачи воды и т.д., для работы которой требуется дополнительная энергия, не говоря уже о том, что включение этой системы приводит к увеличению веса двигателя.
Однако, что касается всасывания и сжатия, хорошо известная система, включающая цилиндр, поршень, шатун и коленвал, считается наиболее надежной и эффективной среди других когда-либо опробованных систем.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
За счет использования системы, включающей цилиндр, поршень, шатун и коленвал, надежности и эффективности всасывания и сжатия, постоянного контроля коэффициента сжатия, полного использования энергии расширения путем применения максимального вращающего момента непосредственно на диск колеса ротора и в условиях объема, превышающего объем цилиндра, с нейтрализацией центробежных сил и при устранении необходимости использования системы охлаждения, турбокомпрессорный двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой данное изобретение, представляет собой надежную, эффективную систему, отличающуюся небольшим весом и достаточно большой мощностью, обеспечивающую оптимальный уровень энергии сгорания с полным ее превращением в энергию вращения и позволяющую использование экологически чистых видов топлива, включая, кроме прочего, спирт, природный газ, этанол, топливные элементы и т.п., обеспечивая низкий или нулевой уровень загрязнения окружающей среды.
Предпочтительное исполнение данного изобретения приведено только в качестве примера. Различные варианты в рамках конструкции, показатели и принципы данного изобретения станут очевидными для специалистов из подробного описания, приведенного ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ.1 - вид в перспективе, частично в разрезе и покомпонентно, турбокомпрессорного двигателя с использованием системы переменной степени сжатия.
ФИГ.2 - вид в перспективе и покомпонентно ротора, включая опору ротора.
ФИГ.3 - вид в перспективе внутренних деталей турбокомпрессорного двигателя, включая систему переменной степени сжатия с закрытыми крышкой и клапанами цилиндров.
ФИГ.4 - вид в перспективе внутренних деталей турбокомпрессорного двигателя с одновременным открытием крышки и клапанов цилиндров при вращающемся коленвале.
ФИГ.5а, 5b и 5с - виды в перспективе и в разрезе системы переменной степени сжатия и свечи зажигания с указанием движения вала системы переменной степени сжатия в цилиндре системы переменной степени сжатия.
ФИГ.6 - вид в перспективе корпуса цилиндра и его положения по отношению к клапанам цилиндра, клапана камеры сгорания и топливной форсунки.
ФИГ.7 - вид в перспективе уплотнения камеры сгорания и прорезей.
ФИГ.8 - вид в перспективе и в разрезе перегородки и ее пружины.
ФИГ.9 - вид спереди в перспективе корпуса и его положения по отношению к камере внутреннего сгорания, коленвалу, впускному отверстию, клапану цилиндра и опоре клапана.
ФИГ.10 - вид спереди в перспективе корпуса и его положения по отношению к крышке, открытой на шарнирах.
ФИГ.11 - вид спереди в перспективе корпуса и вид в разрезе ротора и опоры ротора с деталями двигателя на месте, а также ясная иллюстрация канала выхлопного отверстия и входного отверстия.
ФИГ.12 - вид спереди в перспективе турбокомпрессорного двигателя в полном сборе.
ФИГ.13 - вид сзади в перспективе турбокомпрессорного двигателя в полном сборе.
ФИГ.14а, 14b, 14с, 14d, 14e и 14f - иллюстрация полного проворота ротора, коленвала и их положения относительно других деталей двигателя с указанием направления потока при каждом повороте на 60 градусов.
ФИГ.15а и 15b - иллюстрация турбокомпрессорного двигателя с передаточными механизмами, соединяющими ротор с коленвалом и возможностью их обратного вращения.
ФИГ.16а и 16b - иллюстрация турбокомпрессорного двигателя с цепной передачей, соединяющей ротор с коленвалом и возможностью их согласованного вращения.
ФИГ.17 - вид спереди бокового уплотнения ротора с иллюстрацией различных деталей уплотнения.
ФИГ.18 - вид в перспективе кольцевого уплотнения корпуса.
ФИГ.19 - вид в перспективе частично в разрезе и покомпонентно комбинированного турбокомпрессорного двигателя с многоканальным ротором.
ФИГ.20а, 20b - иллюстрации турбокомпрессорного двигателя без крышки и деталей зацепления.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10
Турбокомпрессорный двигатель
20, 20a, 20b
Корпус
22
Кольцевое уплотнение
24
Выхлопное отверстие
26
Впускное отверстие
27
Отделение смазочного масла
28
Лопасть
29
Перегородка
29а
Пружина перегородки
30
Цилиндр
31
Корпус цилиндра
32, 32а, 32b
Клапан цилиндра
34
Опора клапана цилиндра
35
Топливная форсунка
36, 36a, 36b
Вал с кулачковым приводом
37а
Цилиндр вала с кулачковым приводом
38, 38a, 38b
Разжимная пружина
39, 39а, 39b
Башмаки
40
Камера сгорания
42
Клапан камеры
44
Крышка
44а
Уплотнение крышки
46
Уплотнение камеры
46а
Прорези уплотнения камеры
48
Устройства получения искры
50
Коленвал
52
Шатун
54
Поршень
56, 56а, 56b
Кулачок
60
Ротор
62
Канал
63
Лопасть радиатора
64
Независимый узел канала
65а, 65b
Кольцевые уплотнения
65с, 65d, 65e, 65f
Боковое уплотнение
66
Опора канала
66a, 66b
Кольцевые уплотнения опоры канала
66c
Боковые уплотнения опоры канала
67
Цепная передача
68а, 68b
Передаточные механизмы
69
Лопасти ротора
70
Система переменной степени сжатия
70а
Цилиндр системы переменной степени сжатия
70b
Рабочая поверхность системы переменной степени сжатия.
72
Вал системы переменной степени сжатия
72а
Поршень системы переменной степени сжатия
72b
Болт системы переменной степени сжатия
72с
Передаточный механизм системы переменной степени сжатия.
74
Электродвигатель
74а
Червячная передача
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Турбокомпрессорный двигатель 10, показанный на ФИГ.1, 9 и 10, включает корпус 20. Указанный корпус 20 состоит из цилиндра 30 и камеры 40 сгорания, отделенной от цилиндра 30. Указанный корпус 20 также может включать несколько лопастей 28 для обеспечения воздушного охлаждения, как показано на ФИГ.18, кольцевое уплотнение 22 для уплотнения корпуса 20. Турбокомпрессорный двигатель 10, показанный на ФИГ.1, 3, 4 и 11, также включает коленвал 50, который удерживается на месте корпусом 20 с обеспечением вращения, шатун 52, который наклонно соединен с коленвалом 50 с одной стороны и также наклонно соединен с поршнем 54 с другой стороны. Указанный поршень 54 совершает возвратно-поступательное движение внутри указанного цилиндра 30 с вращением коленвала 50. Корпус 20 также может включать отделение для смазочного масла для смазки. Турбокомпрессорный двигатель, показанный на ФИГ.1, 2, 11 и 12 также включает ротор 60.
Указанный ротор 60 укреплен на коленвале 50 или устроен и установлен с обеспечением вращения соответственно вращению коленвала 50 в том же или в обратном направлении.
Цилиндр 30 включает, по меньшей мере, один клапан 32 цилиндра для обеспечения однонаправленного потока на входе в цилиндр 30. Открытие и закрытие клапана 32 цилиндра контролируется опорой 34 клапана, которая укреплена (неподвижно или со скольжением) на указанном клапане 32 цилиндра. Указанная опора 34 клапана прикреплена на вал 36 с кулачковым приводом, который совершает возвратно-поступательные движения со скольжением внутри цилиндров 37 с кулачковым приводом. Разжимная пружина 38 предназначена для обеспечения движения вала 36 с кулачковым приводом в сторону коленвала 50. Указанный вал 36 с кулачковым приводом может включать в себя башмак 39, который неподвижно или на шарнирах прикреплен к концу вала 36 с кулачковым приводом.
Коленвал 50 включает кулачок 56, который зацепляет коленвал 50 с обеспечением вращения для контроля возвратно-поступательного движения вала 36 с кулачковым приводом. Башмак 39 поддерживает скольжение вала 36 с кулачковым приводом по кулачку 56.
Для повышения общей эффективности работы двигателя 10 и повышения его баланса некоторые детали двигателя могут быть выполнены и установлены парами. Указанные пары, как показано на ФИГ. 1, 3 и 4, включают пару кулачков 56а и 56b, пару башмаков 39а и 39b, пару валов 36a и 36b с кулачковым приводом, пару разжимных пружин 38а и 38b и пару клапанов 32а и 32b цилиндров.
Камера 40 сгорания, показанная на ФИГ.3, 4, 6 и 11, включает клапан 42 камеры, который обеспечивает однонаправленный поток содержимого цилиндра 30 в указанную камеру 40 сгорания. Кроме этого указанная камера 40 сгорания включает в себя крышку 44, которая закрывает камеру 40 сгорания, как показано на ФИГ.7, и уплотнение 46 камеры, которое обеспечивает герметизацию камеры 40 при закрытой крышке 44. Указанное уплотнение 46 камеры может иметь прорези 46а надлежащей формы для обеспечения возможности легкого "отскока" для уплотнения камеры 40 при закрытой крышке 44.
Цилиндр 30, показанный на ФИГ.4, 6 и 11, также может включать корпус 31 цилиндра, который служит для поддержки цилиндра 30. Указанный корпус 31 цилиндра выполнен с обеспечением возможности уплотнения всех деталей и потоков, связанных с цилиндром 30.
Горючее топливо в камере сгорания может воспламеняться при давлении или как показано на ФИГ.5b и 5c, при этом воспламенению может способствовать использование устройств 48 получения искры.
Кроме этого камера 40 сгорания может включать в себя систему 70 переменной степени сжатия для регулировки степени сжатия в камере 40 сгорания. Указанная система 70 переменной степени сжатия включает в себя устройства, которые увеличивают или уменьшают объем камеры 40 сгорания. Указанные устройства показаны на ФИГ.5a, 5b и 5c, могут включать вал 72 системы переменной степени сжатия и электродвигатель 74, который вращает вал 72 системы переменной степени сжатия, предпочтительно с использованием червячной передачи 74а. Указанный вал 72 системы переменной степени сжатия частично образован поршнем 72а системы переменной степени сжатия, частично - болтом 72b системы переменной степени сжатия и частично с передачей 72с системы переменной степени сжатия. Указанный вал системы переменной степени сжатия должен двигаться перпендикулярно цилиндру 70а системы переменной степени сжатия, который выполнен с обеспечением скольжения при герметизации поршня 72а системы переменной степени сжатия с уплотнением и, частично - с обеспечением возможности совмещения рабочей поверхности 70b с болтом 72b системы переменной степени сжатия.
Движение указанного вала 72 системы переменной степени сжатия в цилиндре 70а системы переменной степени сжатия контролируется датчиком (не показан), который связывается с камерой 40 сгорания и электродвигателем 74. Указанный датчик предназначен для регулировки сжатия в указанной камере 40 сгорания до оптимального уровня, который требуется для обеспечения оптимальной работы двигателя 10 при всех переменных в любой момент.
Валы 36a и 36b с кулачковым приводом, показанные на ФИГ.3 и 4, также предназначены для контроля поворота крышки 44 для закрытия и открытия камеры 40 сгорания.
Ротор 60, показанный на ФИГ.1, включает канал 62 надлежащей формы, который доходит почти до середины окружности ротора. Ротор 60, показанный на ФИГ.12, неподвижно прикреплен к коленвалу 50 или выполнен таким образом, чтобы обеспечить вращение, аналогичное вращению коленвала 50 в том же или в обратном направлении. Равное вращение ротора 60 и коленвала 50 в одном направлении показано на ФИГ.16а и 16b и может обеспечиваться за счет цепной передачи 67, вращение в обратном направлении показано на ФИГ.15а и 15b и может обеспечиваться парой передаточных механизмов 68а и 68b с равными зубами. Ротор 60, показанный на ФИГ.1 и 11, также может включать несколько лопастей 69 для обеспечения воздушного охлаждения ротора 60 и лопасти 63 радиатора для подачи воздуха в нужном направлении при вращении ротора 60.
Крышка 44, показанная на ФИГ.14b и 14с, находится в постоянной связи с каналом 62 при выполнении цикла расширения. Кроме этого для облегчения закрытия крышки 44 камеры 40 сгорания при выполнении цикла сжатия предусматриваются кулачки 56а и 56b, показанные на ФИГ.3 и 4, которые контролируют поворот крышки 44 при соединении с каналом 62 для обеспечения надлежащего уплотнения и устранения трения. Для дальнейшей регулировки, уплотнения и снижения или удаления трения между крышкой 44 и каналом 62 крышка 44 может включать уплотнение 44а крышки, которое немного выдается за пределы крышки 44.
Корпус 20 может быть выполнен из двух или более частей 20а и 20b для облегчения конструкции и установки деталей внутри указанного корпуса 20.
Турбокомпрессорный двигатель 10, представляющий собой данное изобретение, включает четыре полных цикла, а именно всасывание, сжатие, расширение и выхлоп на каждый оборот. Цикл всасывания и сжатия происходит внутри цилиндра 30, цикл расширения и выхлопа происходит внутри канала 62. Всасывание и расширение происходят одновременно приблизительно в течение полуоборота ротора 60, сжатие и выхлоп происходят одновременно приблизительно в течение второго полуоборота ротора 60.
При выполнении цикла всасывания, как показано на ФИГ.14b и 14с, вращение кулачка 56 в сочетании с силами разжимной пружины 38 двигает валы 36 с кулачковым приводом по направлению к коленвалу 50, под воздействием этих сил опора 34 клапана открывает клапаны 32 цилиндров. При открытии клапанов 32 цилиндров содержимое канала 62 всасывается в цилиндр 30. С учетом того что вместительность канала 62 может значительно превышать вместительность цилиндра 30, указанный процесс всасывания создает положительную компрессию внутри цилиндра 30, которая значительно превосходит компрессию при наддуве до выполнения цикла сжатия.
Цикл сжатия, показанный на ФИГ.14е и 14f, выполняется после закрытия кулачком 56 клапана 32 цилиндра и крышки 44. Движение поршня 54 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке обеспечивает сжатие содержимого цилиндра 30 внутри камеры 40 сгорания. В канал 62, цилиндр 30 или в камеру 40 сгорания, по необходимости, может добавляться топливо.
Кулачок 56, показанный на ФИГ.14е и 14f, представляет собой силу, которая удерживает крышку 44 в закрытом состоянии при выполнении цикла сжатия. Однако ротор 60, показанный на ФИГ.20а и 20b, способен самостоятельно удерживать крышку 44 в закрытом состоянии. При этом удаление кулачка 56 на этом основании приведет к возникновению трения между ротором 60 и крышкой 44.
Цикл расширения, показанный на ФИГ.14b и 14с, инициируется внутри камеры 40 сгорания и продолжается внутри канала 62 за счет открытия крышки 44 и приложения энергии сгорания непосредственно к ротору 60 в канале 62. Указанная энергия сгорания прилагается к ротору 60 по касательной к его окружности. Продолжение движения ротора 60 в сочетании с воздействием устройств перегородки 29 вызывает выхлоп из канала 62 через выхлопное отверстие 24 и забор в канал 62 через входное отверстие 26 для повторения цикла. Указанные устройства перегородки 29, показанные на ФИГ.8, включают пружину 29а, которая вызывает движение перегородки 29 по направлению к каналу 62 для обеспечения надлежащего уплотнения.
При открытии крышки 44 под воздействием энергии сгорания одновременно с открытием клапана 32 цилиндра, при надлежащем положении и соединении между этими двумя элементами, как показано на ФИГ.20а и 20b, клапан 32 цилиндра может открываться одновременно с крышкой 44 при отсутствии кулачка 56.
Пара кольцевых уплотнений 65а и 65b, показанная на ФИГ.1, устанавливается по обеим сторонам канала 62 для уплотнения ротора 60 при минимальном или нулевом трении, при этом боковое уплотнение 65с устанавливается для уплотнения канала 62 сбоку. Указанное боковое уплотнение 65с используется для уплотнения канала 62 с использованием центробежной силы, прилагаемой к нему при вращении ротора 60. Для использования центробежной силы боковое уплотнение, показанное на ФИГ.17, включает уплотняющую часть 65d, поворотную часть 65е и весовую часть 65f. Поворотная часть 65е удерживается в поворотном положении ротором 60, уплотняющая часть 65d зацепляет корпус 20 или его кольцо 22 с обеспечением скольжения, и весовая часть 65f служит для обеспечения движения уплотняющей части 65d в сторону корпуса 20 или кольца 22 под воздействием центробежной силы, направленной на весовую часть 65f за счет вращения ротора 60.
Для обеспечения идеальной подгонки и уплотнения крышки 44 с обеспечением минимального или нулевого трения в канале 62 в случае возможного бокового движения или вибрации ротора 60 ротор 60, как показано на ФИГ.2, может включать независимый узел 64 канала, который выполнен с возможностью размещения внутри ротора 60 с возможностью небольшого бокового смещения. Упомянутый независимый узел 64 канала включает опорный канал 66, пару кольцевых уплотнений 66а и 66b, которые устанавливаются на обеих сторонах узла 64 канала, и боковое уплотнение 66с для уплотнения канала 66 сбоку.
В рамках и в соответствии с принципами данного изобретения турбокомпрессорный двигатель, показанный на ФИГ.19, может включать несколько блоков. Один общий ротор с соответствующими каналами и одним коленвалом с соответствующими кривошипами, установленный в надлежащем положении, может обслуживать несколько установок турбокомпрессорного двигателя.