Четырехтактный шаровой шестисекторный двигатель внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к двигателям с качающимися поршнями. Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания совершенны, о чем свидетельствуют высокие значения относительных КПД, достигающих 85-90%. Существенным недостатком двигателей внутреннего сгорания является процесс преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Наличие сложного кривошипно-шатунного механизма, включающего цилиндры, поршни, шатуны и коленчатый вал приводит к усложнению конструкции, увеличению массы и объема двигателей.
Данную проблему пытались решить авторы патентов RU 2518793 С1, МПК F02B 55/14, опубл. 2014; RU 2247248 С2, МПК F01C 9/00, опубл. 2005; RU 2267614 С1, МПК F01C 9/00, опубл. 2006; DE 3811760 С1, МПК F01C 9/00, опубл. 1989; DE 3725277 А1, МПК F01C 9/00, опубл. 1989. Однако известные решения только усложнили конструкцию двигателей с качающимися рабочими органами, в основном путем создания дополнительных систем обеспечения вращения коленчатого вала, встраивая в ротор-поршень дополнительные механизмы, из-за чего увеличивалась масса и габариты, что в итоге приводило к неработоспособности двигателей.
Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем (DE 3811760 С1, МПК F01C 9/00, опубл. 1989), основной недостаток которого неуравновешенность и неэффективность кинематической схемы преобразования движений качающегося ротора-поршня во вращение коленвала.
Известен ДВС с качающимся ротор-поршнем, жестко закрепленным на входном качающимся валу и кинематически связанным с вращающимся выходным валом (DE 3725277 А1, МПК F01C 9/00, опубл. 1989).
Недостатком данной разработки является сложная конструкция ротора-поршня, содержащая систему валов с шатунно-кривошипным механизмом привода, увеличивающим габариты, вес и, как следствие, уменьшение удельной мощности и надежности эксплуатации.
Наиболее близко к решению вышеперечисленных проблем подошел Ткаченко Ю.С. (RU 2518793 С2, МПК F02B 55/14, F01C 9/00, опубл. 2014). Опорная ось ротора-поршня, в полости которого размещено устройство, выполненное в виде кривошипно-кулисного механизма с кулисным пазом, расположенным в области ступицы качающегося ротора-поршня, сопряженным подвижно с ползуном, качающимся на кривошипной шейке выходного вращающегося коленчатого вала, смещенного относительно центральных опор.
Недостаток - сложная конструкция ротора-поршня, содержащая систему кулис, ползун ступицу, коленчатый вал с шатуном, в результате намного усложняется кинематическая схема увеличиваются габариты, вес и снижается надежность эксплуатации.
Известен многосекторный двигатель внутреннего сгорания с любым количеством камер, выбираемым с учетом угла поворота и толщины поршня и разделительной платины, содержащий камеру, разделенную многопластинчатым поршнем и отсекающими секторами корпуса на множество секторов-камер, силовой механизм, системы зажигания и отвода выхлопных газов, при этом силовой механизм выполнен в виде многопластинчатого поршня с валом, который на выходе из камеры соединен через палец и подшипник со звеном, совершающим вращение, а центр пересечения оси вала с осью пальца находится на перпендикуляре, исходящим из центра маховика, при этом, когда два центра находятся на одной линии, обеспечивается постоянная длина образующей круглого конуса с основание в виде круга (JPS 62288379 (А), опубл. 1987).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является упрощение конструкции шарового двигателя, увеличение мощности, уменьшение габаритов и повышение надежности.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в упрощении конструкции шарового двигателя в виде применения другой кинематической схемы преобразования качающегося на валу трехпластинчатого поршня в шаровом корпусе во вращательное движение маховика и, как следствие, многократное повышение мощности, экономичности с уменьшением массы ДВС в четыре раза.
Указанный технический результат достигается тем, что в шаровом двигателе содержится шесть секторов камер, которые образуют трехпластинчатый поршень совместно с тремя отсекающими секторами шарового корпуса, в которых расположены механизмы газораспределения и зажигания.
Трехпластинчатый поршень через свой вал на выходе из шара соединен через палец и игольчатый или скольжения подшипник с шатуном. Центр вала поршня на конце соединения, представленный пересечением его оси с осью пальца, обязательно должен находиться на перпендикуляре, исходящим из центра маховика, так как только в этом случае обеспечиваются постоянная длина образующей круглого конуса шатуна с основанием в виде маховика.
Новым в двигателе является изготовление корпуса в виде шара с тремя секторами, в которых размещены механизмы газораспределения, трехпластинчатого поршня и кинематической схемы преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение маховика в виде трехпластинчатого поршня, соединенного через свой вал на выходе из шара с пальцем, вращающимся в игольчатом или скольжения подшипнике в центре конца вала, который образуется при пересечении осей вала и пальца и должен находиться на перпендикуляре, исходящим из центра маховика.
Предлагаемый четырехтактный шестикамерный двигатель работает точно так же, как и четырехтактный поршневой ДВС с кривошипно-шатунным механизмом. Трехпластинчатый поршень, перемещается возвратно-поступательно при колебаниях в шаровой сфере от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), которые определяются по маховику. Колебания поршня в секциях от одного крайнего положения в другое называется тактом. В четырехтактных поршневых ДВС с КШМ четыре такта осуществляются за два оборота коленчатого вала (маховика), в предлагаемом ДВС за один оборот, что увеличивает мощность двигателя. Конструктивно можно шаровые ДВС изготавливать в варианте короткоходовых и длинноходовых, меняя радиус крепления шаровой опоры на маховике.
Предлагаемый шаровой двигатель показан на чертежах, где на фиг. 1 показан общий вид двигателя сбоку с разрезом по кинематическому механизму, на фиг. 2 - вид сверху с местными разрезами, на фиг. 3 - поперечный разрез ДВС по А-А, на фиг. 4 - продольный разрез ДВС по Б-Б, на фиг. 5, 6,7, 8 показан принцип работы ДВС, стрелками показаны направления движения горючей смеси и отработавших газов, а стрелкой под шаром - движение поршня.
Четырехтактный шестикамерный шаровой двигатель внутреннего сгорания содержит шаровой корпус 1, поделенный на сектора, трехпластинчатый поршень 2, образующий с отсекающими секторами 3 шарового корпуса камеры сгорания. Палец 4 через подшипник 5 соединен с шатуном 6, который на другом конце через шаровую опору 7 соединен с маховиком 8, вращающимся в подшипниках 13 опоры 14 маховика. Клапана 9 служат для подвода в секторы (камеры), выполняющие роль цилиндров, горючей смеси или воздуха при непосредственном вспрыске топлива и отвода выхлопных газов. Вал поршня вращается в подшипниках 10 (например, скольжения), сферические пластины поршня уплотнены компрессионными и маслосъемными кольцами 11. Отсекающие сектора уплотнены компрессионными пластинами 12. Система зажигания включает свечи, соединенные с генератором (на фиг. не показаны).
Четырехтактный шестикамерный шаровой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
При сгорании горючей смеси в камере сгорания сектора I (фиг. 5, рабочий ход поршня), поршень 2 начинает вращаться в подшипниках 10. Соединенный через палец 4 и подшипник 5 шатун 6 начинает подниматься по окружности с НМТ, вращая через шаровую опору 7 маховик 8. В секторе II и VI открываются выпускные клапан и происходит выпуск отработанных газов (смеси). В секторах III и V в это время происходит впуск горючей смеси или воздуха при непосредственном впрыске топлива. В секторе IV - такт сжатия. На фиг. 6 показано промежуточное положение маховика и поршня в секторах. Шатун 6 поднимается вверх, вращая маховик 8. В шаровом секторе I продолжается рабочий ход. В секторах II и VI - выпуск отработанных газов. Сектор IV - сжатие, и в секторах III и V продолжается впуск воздуха или смеси. Фиг. 7 - верхняя мертвая точка. Маховик за счет энергии сжатых газов и рабочего хода в секторе IV продолжает вращаться все время в одну сторону, а шатун 6 с шаровой опорой 7 начинает опускаться по другой половине окружности маховика 8, поворачивая поршень в противоположную сторону. В секторе III и V начинается сжатие смеси, а в камере сектора I - выпуск. Сектор II и III - впуск. Фиг. 8 - промежуточное положение поршня при ходе из ВМТ к НМТ. Продолжается рабочий ход в камере сектора IV, сжатие в секторах III и V. В секторе I - выпуск. Сектора II и VI - впуск. Далее трехпластинчатый поршень приходит в ВМТ. Но рабочий ход начинается сразу в двух секторах III и V, остальные действия повторяются и маховик продолжает вращаться все время в одну сторону. В шаровом ДВС происходит два с половиной рабочих цикла «Рабочий ход» «Выпуск» «Впуск» и «Сжатие» при одном обороте маховика. В существующем четырехтактном поршневом ДВС с кривошипно-шатунным механизмом - только один цикл. Таким образом, шаровой ДВС дает минимум двукратное увеличение мощности, экономичности и четырехкратное уменьшение габаритов и веса.