КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
OSCILLATORY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям с качающимися рабочими органами, в частности к бесшатунным, бескривошипным двигателям, и может быть использовано в любых наземных и водных транспортных средствах, автономных генераторах электрической энергии.
Известен «Двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем». Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с двумя камерами сгорания, снабженными крышками с ребрами жесткости. В центре корпуса установлен пустотелый вал, закрепленный на подшипниках, размещенных по центрам крышек и в стенке картера. На пустотелом валу жестко оппозитно закреплены два поршня прямоугольной формы. По периметру поршни уплотнены лабиринтом. Камеры сгорания двухсторонние, так как снабжены клапанами впуска, выпуска и форсунками, расположенными между клапанами с обеих сторон. В полостях между крышками, корпусом и камерами сгорания размещены газораспределительные валики, получающие вращение от шестерни, сидящей на коленчатом валу. На вал через шлицевое соединение закреплен рычаг с шатуном, связанным с коленчатым валом. Для стыковки модулей внутри полого вала выполнены шлицы. В предлагаемой конструкции две камеры сгорания соответствуют четырехцилиндровому двигателю /См. патент РФ № 2144142 С1 , «Двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем», МПК 7 F02В 53/00, 20.07.1998 г./.
Недостатком этого двигателя является сложность и громоздкость его конструкции, вызванная наличием кривошипно-шатунного механизма в приводе ротора-поршня в качестве преобразователя возвратно-поступательного углового движения входного вала во вращательное движение выходного вала.
Известен также «Двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем». Двигатель содержит корпус с выполненной в нем кольцевой рабочей камерой и камерами завихрения, выполненными в перегородках. На входном валу установлен качающийся ротор-поршень из магнитотвердого материала, имеющий ступицу с лопастями, образующими с перегородками две рабочие и две нагнетательные полости. Механизм привода ротора-поршня включает кривошипно-шатунный механизм. Корпус выполнен с диаметрально противоположными пазами Т-образной формы, внутри которых размещены стержни из электротехнической стали с обмотками, контактирующие с внутренней поверхностью, охватывающей их пластины из электротехнической стали С-образной формы. В перегородках выполнены радиальные пазы, имеющие выход в камеры завихрения. Центральные электроды свечей укреплены в перегородках и введены в камеры завихрения /См. патент РФ № 2249701 С1, «Двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем», МПК 7 F01С 9/00, 21.07.2003 г./.
Недостатком этого двигателя является сложность его конструкции, вызванная наличием кривошипно-шатунного механизма в приводе ротора-поршня в качестве преобразователя возвратно-поступательного углового движения входного вала во вращательное движение выходного вала, а также разделение внутреннего объема кольцевой камеры на две рабочие и две нагнетательные полости, что усложняет конструкцию перегородок из-за необходимости выполнения в них радиальных пазов и требует дополнительных временных затрат по переливу горючей смеси из нагнетательной полости в рабочую полость.
Известен «Роторный двигатель внутреннего сгорания», содержащий корпус с концентрично установленным в нем с образованием четырех рабочих камер двухлопастным качающимся ротором, механизм преобразования качательного движения вала ротора во вращательное выходного вала, а также газораспределительное устройство. На конце выходного вала, обращенном к валу ротора, закреплены две отдельно расположенные соосные цилиндрические шестерни. Механизм преобразования качательного движения вала ротора во вращательное выходного вала содержит коромысло, закрепленное на конце вала ротора, соосно с ним расположенное и имеющее на концах два паза. При этом одна из шестерен выходного вала имеет диаметрально противоположные сцепления с двумя зубчатыми колесами для ее попеременного привода во вращение в одну сторону. Причем на ступицах приводных зубчатых колес смонтированы два пальца с возможностью их попеременного входа в пазы при качательном движении вала ротора и поворота при этом приводных зубчатых колес и шестерни вместе с выходным валом. Газораспределительное устройство выполнено в виде бесклапанного механизма /См. патент РФ № 2315874 С1, «Роторный двигатель внутреннего сгорания», МПК F02В 53/00 (2006.01), F01С 9/00 (2006.01), 24.05.2006 г./.
Недостатком известного роторного двигателя внутреннего сгорания является сложность, а следовательно, невысокая надежность в работе и громоздкость механизма преобразования качательного движения вала ротора во вращательное выходного вала.
Известен также «Колебательный двигатель внутреннего сгорания», который является наиболее близким аналогом-прототипом заявленного изобретения. Двигатель состоит из двух одинаковых корпусов, каждый из которых содержит вал ротора с лопастями с образованием четырех полостей. С одной стороны каждого корпуса крепится топливораспределитель с клапанами впуска, а с другой стороны - газораспределитель с клапанами выпуска. С каждой стороны корпуса расположены по одной обгонной муфте, которые преобразуют колебательное движение валов роторов во вращательное движение двух выходных валов двигателя, вращающихся в противоположные стороны /См. патент РФ № 2247248 С2, «Колебательный двигатель внутреннего сгорания»», МПК 7 F01С 9/00, 05.09.2002 г./.
Недостатками этого двигателя являются сложность и громоздкость его конструкции за счет удвоения количества всех его основных составных узлов и повышенная потеря тепла в стенках камеры сгорания из-за большой площади образующих ее поверхностей лопасти и перегородки, обусловленных их длиной от рабочего вала до внутренней цилиндрической поверхности корпуса и прямолинейностью перегородки.
Задачей изобретения являются упрощение конструкции, уменьшение габаритов, массы двигателя и снижение потери тепла в камере сгорания.
Колебательный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с выполненной в нем кольцевой рабочей камерой, ограниченной с торцов боковыми крышками, в которой расположены жестко закрепленные к корпусу перегородки с уплотнителями, рабочий вал, вал отбора мощности, по меньшей мере, две оппозитно расположенные в поперечной рабочему валу плоскости лопасти с уплотнителями в них, образующая каждая в кольцевой рабочей камере с перегородками две полости с изменяющейся объемной величиной, каждая из которых включает в себя камеру зажигания, ограниченную корпусом, перегородкой и одной стороной лопасти, с установленными в корпусе клапаном впуска горючей смеси топливораспределителя, клапаном выпуска отработавших газов газораспределителя и свечей зажигания, причем уплотнители в торцах лопастей соприкасаются со стенками полостей, механизм преобразования качания рабочего вала во вращательное движение вала отбора мощности с двумя одинаковыми обгонными муфтами, входные звенья которых соединены непосредственно с окончаниями рабочего вала, выступающими с двух сторон корпуса, а выходное звено одной из них соединено непосредственно с одним окончанием вала отбора мощности, стартер, выходное звено которого соединено с окончанием рабочего вала, причем вал отбора мощности подвижно размещен внутри полого рабочего вала, на который жестко установлена ступица с лопастями, соприкасающаяся с уплотнителями перегородок, а в механизм преобразования качания рабочего вала во вращательное движение вала отбора мощности введена реверсивная муфта, выходное звено другой обгонной муфты соединено с входным звеном реверсивной муфты, выходное звено которой непосредственно соединено с другим окончанием вала отбора мощности, причем каждая камера зажигания ограничена изогнутой частью перегородки.
Заявленное изобретение поясняется при помощи чертежей:
- на фиг. 1 представлен поперечный разрез А-А двигателя в перпендикулярной валу отбора мощности плоскости, системы впуска горючей смеси, топливораспределения, выпуска отработавших газов, газораспределения и электрического зажигания не показаны,
- на фиг. 2 представлен вид двигателя сверху,
- на фиг. 3 представлен вид А с расположением клапанов 12, 13 и свечи зажигания 14,
- на фиг. 4 представлено уплотнение 9 между корпусом 1 и лопастью 8,
- на фиг. 5 и 6 представлено уплотнение 5 между перегородкой 4 и ступицей 22,
- на фиг. 7, 8, 9, 10 схематично представлены последовательности прохождения всех четырех тактов рабочего процесса за один цикл с четырьмя качаниями ступицы 22 с лопастями 8. Поджиг горючей смеси в каждой камере зажигания 11 отмечен символом *.
Колебательный двигатель внутреннего сгорания, содержит корпус 1 с выполненной в нем кольцевой рабочей камерой 2, ограниченной с торцов боковыми крышками 3. В ней расположены жестко закрепленные к корпусу 1 перегородки 4 с уплотнителями 5. Перегородки 4 разделяют кольцевую камеру 2 на четыре полости. В двух полостях 10 оппозитно расположены, в поперечной рабочему валу 6 плоскости, лопасти 8. Стенки полостей 10 образованы частью корпуса 1 и перегородками 4. α - центральный угол между прямыми участками перегородок 4 в полостях 10. Удаленные от рабочего вала 6 участки перегородок 4 в полости 10 отогнуты в противоположные стороны на угол β в пределах 5-15 градусов. Вал отбора мощности 7 подвижно размещен внутри полого рабочего вала 6. На нем жестко установлена ступица 22 с, по меньшей мере, двумя лопастями 8 с уплотнителями 9 между их торцами, корпусом 1 и перегородками 4, см. фиг. 2, 4. Уплотнители 5 перегородок 4 прижаты к ступице 22, см. фиг 5 и 6. В полостях 10 лопасти 8 на ступице 22 имеют возможность ограниченного перегородками 4 углового колебания на валу отбора мощности 7, в поперечной рабочему валу 6 плоскости, в пределах центрального угла α. Форма лопастей 8 и поперечного сечения полостей 10 может быть произвольной, например прямоугольной, трапецеидальной, полукруглой. Лопасти 8 делят каждую полость 10 на две части с изменяющимися обратно пропорционально объемными величинами при угловом колебании лопасти 8. Каждая часть полости 10 включает в себя камеру зажигания 11 с установленными в корпусе 1 клапаном впуска 12 горючей смеси топливораспределителя, клапаном выпуска 13 отработавших газов газораспределителя и свечу зажигания 14, см. фиг. 3. Камера зажигания 11, в каждой части полости 10, ограничена изогнутой частью перегородки 4, корпусом 1 и крайним угловым положением лопастей 8, обозначенными на фиг. 1 штрихпунктирными линиями. Механизм преобразования качания рабочего вала 6 во вращательное движение вала отбора мощности 7 состоит из реверсивной муфты 23 и двух одинаковых обгонных муфт 15, входные звенья 16 которых соединены непосредственно с окончаниями 17 рабочего вала 6, выступающими с двух сторон корпуса 1. Выходное звено 18 одной обгонной муфты 15 соединено непосредственно с одним окончанием вала 19 отбора мощности 7. Выходное звено 18 другой обгонной муфты 15 соединено с входным звеном 24 реверсивной муфты 23, выходное звено 25 которой непосредственно соединено с другим окончанием вала 19 отбора мощности 7. В стартере 20 выходное звено 21 с угловым колебанием соединено с окончанием 17 рабочего вала 6.
В качестве стартера 20 может быть использован шаговый электрический двигатель, управляемый последовательностью импульсов, задающих при запуске двигателя угловые колебания выходного звена 21 и соединенного с ним окончания 17 рабочего вала 6.
Обгонная муфта 15 без проскальзывания передает вращающий момент с входного звена 16 на выходное звено 18 при вращении входного звена 16, например, по часовой стрелке, если смотреть на обгонную муфту 15 со стороны входного звена 16. При вращении входного звена 16 против часовой стрелки обгонная муфта 15 переходит в режим свободного хода, при котором входное 16 и выходное 18 звенья кинематически не связаны.
Реверсивная муфта 23 - передаточное устройство, которое изменяет направление вращения выходного звена 25 относительно входного звена 24 с сохранением передаточного отношения равным единице. Реверсивная муфта 23 может быть выполнена, например, в виде планетарной передачи с коническими колесами и неподвижными осями сателлитов.
Для увеличения в два раза литража колебательного двигателя внутреннего сгорания, суммарного объема полостей 10, без увеличения его размеров, число пар лопастей может быть увеличено в два раза. При этом вторая пара лопастей 8 должна быть ортогональна первой паре лопастей 8 и расположена во второй паре полостей 10. Работа второй пары лопастей 8 должна быть синхронной с работой первой пары лопастей 8.
Двигатель работает по четырехтактному циклу следующим образом. При пуске двигателя стартером 20 его выходное звено 21 передает колебательное вращение рабочему валу 6 и закрепленной на нем ступице 22 с лопастями 8, совершающими каждая качание от одной перегородки 4 до другой перегородки 4 в своей полости 10 в пределах центрального угла α. Лопасти 8 совершают несколько насосных ходов в полостях 10. В дальнейшем в каждой полости 10 проходят поочередно, с временным сдвигом, последовательные такты: рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие.
Допустим, пара лопастей 8 находится в полости 10 в исходном крайнем угловом положении против часовой стрелки, см. фиг. 7. При этом клапаны 12, 13 в камере зажигания 11, под левой лопастью 8, закрыты, на фиг. 7 не показаны, а горючая смесь в этой камере зажигания 11 сжата; в полости 10, над левой лопастью 8, клапан 12 закрыт, клапан 13 открыт, а в ней находится отработавший газ; в камере зажигания 11 с остатком отработавшего газа, над правой лопастью 8, клапан 12 открыт, клапан 13 закрыт; в полости 10, под правой лопастью 8 , клапаны 12, 13 закрыты, а в ней находится горючая смесь.
В первом такте, см. фиг. 7, рабочий ход левой лопасти 8 в левой полости 10 осуществляется за счет поджига сжатой горючей смеси свечей зажигания 14 в камере зажигания 11 под левой лопастью 8 и расширения под нею в части полости 10 продуктов сгорания горючей смеси. За счет этого рабочий вал 6 начинает вращение по часовой стрелке. Выпуск отработавших газов из части полости 10 над левой лопастью 8 осуществляется через открытый клапан выпуска 13 отработавших газов при закрытом клапане впуска 12 горючей смеси камеры зажигания 11 над левой лопастью 8. Впуск горючей смеси в часть полости 10 над правой лопастью 8 осуществляется при открытом клапане впуска 12 горючей смеси и закрытом клапане выпуска 13 отработавших газов камеры зажигания 11 над правой лопастью 8. Сжатие горючей смеси в части полости 10 под правой лопастью 8 осуществляется при закрытых клапанах 12 и 13 камеры зажигания 11 под правой лопастью 8. Рабочий вал 6 со ступицей 22 и лопастями 8 завершает поворот на угол α по часовой стрелке и останавливается в крайнем для лопасти 8 положении. Горючая смесь в камере зажигания 11 под правой лопастью 8 сжата, см. фиг. 8. Во время этого такта вращения рабочего вала 6 по часовой стрелке входное звено 16 верхней на фиг. 2 обгонной муфты 15 поворачивается по часовой стрелке и передает вращающий момент со своего входного звена 16 на свое выходное звено 18 и верхнее на фиг. 2 окончание 19 вала отбора мощности 7, обеспечивая его поворот по часовой стрелке на угол α. Во время этого такта нижняя на фиг. 2 обгонная муфта 15 находится в режиме свободного хода, поскольку ее входное звено 16 вращается против часовой стрелки.
Во втором такте, см. фиг. 8, рабочий ход правой лопасти 8 правой полости 10 осуществляется за счет поджига сжатой горючей смеси свечей зажигания 14 в камере зажигания 11 под правой лопастью 8 и расширения над нею в части полости 10 продуктов сгорания горючей смеси. За счет этого рабочий вал 6 начинает вращение против часовой стрелки. Выпуск отработавших газов из части полости 10 под левой лопастью 8 осуществляется через открытый клапан выпуска 13 отработавших газов при закрытом клапане впуска 12 горючей смеси в камере зажигания 11 под левой лопастью 8. Впуск горючей смеси в часть полости 10 над левой лопастью 8 осуществляется при открытом клапане впуска 12 горючей смеси и закрытом клапане выпуска 13 отработавших газов в камере зажигания 11 над левой лопастью 8. Сжатие горючей смеси в части полости 10 над правой лопастью 8 осуществляется при закрытых клапанах 12 и 13 в камере зажигания 11 над правой лопастью 8. Рабочий вал 6 со ступицей 22 и лопастями 8 завершает поворот на угол α против часовой стрелки и останавливается в крайнем для лопасти 8 положении. Горючая смесь в камере зажигания 11 над правой лопастью 8 сжата, см. фиг. 9. Во время этого такта вращения рабочего вала 6 против часовой стрелки входное звено 16 нижней на фиг. 2 обгонной муфты 15 поворачивается по часовой стрелке и передает вращающий момент со своего входного звена 16 на свое выходное звено 18 и входное звено 24 реверсивной муфты 23. Выходное звено 24 реверсивной муфты 23 в свою очередь передает вращающий момент с обратным знаком окончанию 19 вала 7 отбора мощности, обеспечивая его вращение по часовой стрелке еще на угол α . Во время этого такта верхняя на фиг. 2 обгонная муфта 15 находится в режиме свободного хода, поскольку ее входное звено 16 вращается против часовой стрелки.
В третьем такте, см. фиг. 9, рабочий ход правой лопасти 8 в правой полости 10 осуществляется за счет поджига сжатой горючей смеси свечей зажигания 14 в камере зажигания 11 над правой лопастью 8 и расширения над нею в части полости 10 продуктов сгорания горючей смеси. За счет этого рабочий вал 6 начинает вращение по часовой стрелке. Выпуск отработавших газов из части полости 10 под правой лопастью 8 осуществляется через открытый клапан выпуска 13 отработавших газов при закрытом клапане впуска 12 горючей смеси камеры зажигания 11 под правой лопастью 8. Впуск горючей смеси в часть полости 10 под левой лопастью 8 осуществляется при открытом клапане впуска 12 горючей смеси и закрытом клапане выпуска 13 отработавших газов в камере зажигания 11 под левой лопастью 8. Сжатие горючей смеси в части полости 10 над левой лопастью 8 осуществляется при закрытых клапанах 12 и 13 в камере зажигания 11 над левой лопастью 8. Рабочий вал 6 со ступицей 22 и лопастями 8 завершает поворот на угол α по часовой стрелке и останавливается в крайнем для лопасти 8 положении. Горючая смесь в камере зажигания 11 над левой лопастью 8 сжата, см. фиг. 10. Во время этого такта вращения рабочего вала 6 по часовой стрелке входное звено 16 верхней на фиг. 2 обгонной муфты 15 поворачивается по часовой стрелке и передает вращающий момент со своего входного звена 16 на свое выходное звено 18 и верхнее на фиг. 2 окончание 19 вала отбора мощности 7, обеспечивая его поворот по часовой стрелке еще на угол α. Во время этого такта нижняя на фиг. 2 обгонная муфта 15 находится в режиме свободного хода, поскольку ее входное звено 16 вращается против часовой стрелки.
В четвертом такте, см. фиг. 10, рабочий ход лопасти 8 в левой части полости 10 осуществляется за счет поджига сжатой горючей смеси свечей зажигания 14 в камере зажигания 11 над левой лопастью 8 и расширения над нею в части полости 10 продуктов сгорания горючей смеси. За счет этого рабочий вал 6 начинает вращение против часовой стрелки. Выпуск отработавших газов из части полости 10 над правой лопастью 8 осуществляется через открытый клапан выпуска 13 отработавших газов при закрытом клапане впуска 12 горючей смеси в камере зажигания 11 над правой лопастью 8. Впуск горючей смеси в часть полости 10 под правой лопастью 8 осуществляется при открытом клапане впуска 12 горючей смеси и закрытом клапане выпуска 13 отработавших газов в камере зажигания 11 под правой лопастью 8. Сжатие горючей смеси в части полости 10 под левой лопастью 8 осуществляется при закрытых клапанах 12 и 13 в камере зажигания 11 под левой лопастью 8. Рабочий вал 6 со ступицей 22 и лопастями 8 завершает поворот на угол α против часовой стрелки и останавливается в крайнем для лопасти 8 положении. Горючая смесь в камере зажигания 11 под левой лопастью 8 сжата, см. фиг. 7. Во время этого такта вращения рабочего вала 6 против часовой стрелки входное звено 16 нижней на фиг. 2 обгонной муфты 15 поворачивается по часовой стрелке и передает вращающий момент со своего входного звена 16 на свое выходное звено 18 и входное звено 24 реверсивной муфты 23. Выходное звено 24 реверсивной муфты 23 в свою очередь передает вращающий момент с обратным знаком окончанию 19 вала 7 отбора мощности, обеспечивая его вращение по часовой стрелке еще на угол α . Во время этого такта верхняя на фиг. 2 обгонная муфта 15 находится в режиме свободного хода, поскольку ее входное звено 16 вращается против часовой стрелки.
Таким образом, вал отбора мощности 7 за четыре такта качания рабочего вала 6 со ступицей 22 и лопастями 8 поворачивается по часовой стрелке на угол 4α. Цикличное повторение тактов качания рабочего вала 6 обеспечивает непрерывное вращение вала отбора мощности 7 по часовой стрелке.
Указанное конструктивное решение позволяет устранить дублирование основных составных узлов, упростить конструкцию, уменьшить габариты и массу двигателя, тепловые потери тепла в камере сгорания.
Источники информации
1. RU № 2144142, 20.07.1998 г. Двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем.
2. RU № 2249701, 21.07.2003 г. Двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем.
3. RU № 2315874, 24.05.2006 г. Роторный двигатель внутреннего сгорания.
4. RU № 2247248, 05.09.2002 г. Колебательный двигатель внутреннего сгорания.