ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания общего применения и может быть использовано в автомобильном моторостроении.
Известен двухлопастной двигатель внутреннего сгорания, в основу работы которого положен принцип изменения рабочего объема между двумя лопастными роторами, вращающимися с переменной скоростью в одном направлении в рабочей полости. Компактность и высокая мощность двухлопастного двигателя внутреннего сгорания достигаются одновременной работой двух поверхностей лопасти в кольцевой рабочей камере и другим, отличным от поршневого двигателя, режимом работы. В двухлопастном двигателе внутреннего сгорания применяется четырехтактный цикл и используется механизм синхронизации роторных лопастей. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с перегородкой, разделяющей полость на первую и вторую рабочие полости, две поршневые лопасти, разделяющие первую рабочую полость на две камеры, и другие две поршневые лопасти, разделяющие вторую рабочую полость также на две камеры, впускной клапан и выпускное отверстие, форсунку и свечу зажигания. Корпус выполнен в виде цилиндра, установленного на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса. Полость образована между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью оси, рабочие полости выполнены тороидальной формы. Двигатель снабжен специальной электронной системой, в режиме реального времени отслеживающей процессы, протекающие в двигателе. Предполагается, что электронная система позволит точно подстраивать время открытия и закрытия клапанов. Система управления клапанами двигателя внутреннего сгорания существует в виде экспериментальной компьютерной модели. Предстоит создать программное обеспечение компьютеру автомобиля, чтобы реагировать на информацию, поступающую от датчиков двигателя. [Гридин В.В. Двухлопастной двигатель внутреннего сгорания (ДВС) общего применения роторно-лопастного типа. / Независимый научно-технический портал. - Электронный документ - 10.01.2008. - Режим доступа: http://WWW.NTPO.COM - Заглавие с экрана].
Недостатками двухлопастного двигателя являются невысокий коэффициент полезного действия из-за затрат энергии на две рабочие полости и механизм синхронизации роторных лопастей; малая удельная мощность из-за большого объема в связи с необходимостью введения двух рабочих полостей и установки лопастных роторов в двух рабочих полостях; значительный вес, обусловленный большим объемом корпуса и наличием механизма синхронизации роторных лопастей; низкая уравновешенность двигателя из-за несимметричности лопастных роторов и нагрузок на них относительно оси.
7
Прототипом заявляемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием полости между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью оси, перегородку, роторные поршни, заслонки, перепускные коллекторы с клапанами, установленными в корпусе между рабочими полостями, форсунку и свечу зажигания. Полость корпуса разделена перегородкой на первую и вторую рабочие полости тороидальной формы. Каждая из заслонок, выполненных в виде пластин, установлена в прорези цилиндрического корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри своей рабочей полости для разделения и сообщения камер. Заслонки и роторные поршни расположены несимметрично относительно оси. Первым роторным поршнем, соединенным с осью, и заслонкой в выдвинутом положении первая рабочая полость разделена на камеру сгорания и выхлопную камеру. Вторым роторным поршнем, соединенным с осью, и другой заслонкой в выдвинутом положении вторая рабочая полость разделена на всасывающую и компрессорную камеры. Каждая утопленная в прорези корпуса заслонка приводит к сообщению камер. Возвратно-поступательное перемещение заслонок внутри своих рабочих полостей обеспечивается соответствующими приводными механизмами перемещения заслонок (патент RU 2260129 С2, МПK F02B 53/08).
Однако этот двигатель внутреннего сгорания имеет недостаточно высокий коэффициент полезного действия из-за затрат энергии на возвратно-поступательное перемещение заслонок, невысокую мощность и малую удельную мощность из-за необходимости использования объемистых и потребляющих энергию перепускных коллекторов с клапанами, заслонок, выполненных в виде пластин и совершающих возвратно-поступательные движения с потреблением энергии, и двух рабочих полостей, занимающих большой объем, требующих повышенных затрат энергии на вращение роторных поршней и повышенных потерь тепловой энергии. Кроме того, двигатель имеет низкую уравновешенность двигателя из-за несимметричности расположения заслонок, роторных поршней и рабочих нагрузок на них относительно оси.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия, мощности, удельной мощности и уравновешенности двигателя внутреннего сгорания.
Эта задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием полости тороидальной формы между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оси, роторные поршни и заслонки для разделения полости на рабочие камеры, впускной клапан, выпускное отверстие, форсунку и свечу зажигания, заслонки и роторные поршни выполнены в виде роторных лопастно-поршневых крыльчаток, симметричных относительно оси, имеющих одинаковое четное количество N лопастных поршней и установленных в рабочей полости на общей оси с возможностью расположения N лопастных поршней одной крыльчатки между лопастными поршнями другой крыльчатки, вращения относительно оси, периодического соединения с этой осью и корпусом, разделения рабочей полости на кратное четырем число 2N рабочих камер, причем количество впускных клапанов составляет N/2, форсунок - N/2, свечей зажигания - N/2, выпускных отверстий - N/2, а двигатель дополнительно снабжен датчиками и фиксаторами положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток. Одинаковое четное количество лопастных поршней у крыльчаток позволяет разделить рабочую полость двигателя на кратное четырем число рабочих камер и позволяет в каждых четырех камерах осуществлять четырехтактный цикл работы и таким образом способствует полному и наиболее рациональному использованию всего объема рабочей полости двигателя для максимального улучшения рабочих характеристик двигателя.
Повышение коэффициента полезного действия обусловлено исключением затрат энергии на перепускные коллекторы, рабочую полость и возвратно-поступательное перемещение заслонок, поскольку заслонки и роторные поршни выполнены в виде двух роторных лопастно-поршневых крыльчаток.
Повышение мощности и удельной мощности двигателя обусловлено увеличением числа камер сгорания и экономичным режимом работы двигателя путем разделения рабочей полости на кратное четырем число 2N рабочих камер, причем количество впускных клапанов составляет N/2, форсунок - N/2, свечей зажигания - N/2, выпускных отверстий - N/2. Повышение удельной мощности двигателя дополнительно обусловлено сокращением объема двигателя, поскольку заслонки и роторные поршни выполнены в виде роторных лопастно-поршневых крыльчаток, установленных в рабочей полости, что приводит к отсутствию необходимости во второй рабочей полости, перегородке и перепускных коллекторах с клапанами.
Уравновешенность двигателя обусловлена симметричным относительно оси распределением рабочих нагрузок, поскольку заслонки и роторные поршни выполнены в виде роторных лопастно-поршневых крыльчаток, симметричных относительно оси.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен разрез двигателя внутреннего сгорания в статическом состоянии, на фиг 2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - схема расположения роторных лопастно-поршневых крыльчаток на оси.
Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, установленный на оси 2 с возможностью вращения оси 2 относительно корпуса 1, с образованием полости тороидальной формы между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 2, роторные лопастно-поршневые крыльчатки 3 и 4 с четным количеством N лопастных поршней каждая. Двигатель также содержит впускные клапаны 5 в количестве N/2, выпускные отверстия 6 в количестве N/2, форсунки 7 в количестве N/2, свечи 8 зажигания в количестве N/2, фиксаторы 9, 10 положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 и датчики 11,12 положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4. Фиксатор 9 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 и датчик 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 установлены в роторной лопастно-поршневой крыльчатке 3 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксатор 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 и датчик 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 установлены в роторной лопастно-поршневой крыльчатке 4 вблизи корпуса 1 и оси 2. Фиксаторы 9, 10 положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 могут быть как механическими, так и электромагнитными. Фиксаторы 9, 10 положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 и датчики 11, 12 положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3 и 4 могут быть разнесены и установлены в корпусе 1, в оси 2 и в роторных лопастно-поршневых крыльчатках 3, 4. Обе роторные лопастно-поршневые крыльчатки 3, 4 установлены в одной рабочей полости на общей оси 2 с возможностью вращения относительно оси 2, периодического соединения с осью 2, периодического соединения с корпусом 1, разделения рабочей полости на кратное четырем число 2N рабочих камер. Набор любых четырех соседних рабочих камер включает всасывающую камеру 13, компрессорную камеру 14, камеру 15 сгорания и выхлопную камеру 16. Роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 имеет четное количество N лопастных поршней, таких как лопастные поршни 17, 19, 21, а роторная лопастно-поршневая крыльчатка 4 имеет четное количество N лопастных поршней, таких как лопастные поршни 18, 20. При этом каждая всасывающая камера 13 двигателя снабжена впускным клапаном 5, каждая выхлопная камера 16 двигателя снабжена выпускным отверстием 6, каждая камера 15 сгорания снабжена форсункой 7 и свечой 8 зажигания. Роторные лопастно-поршневые крыльчатки 3, 4 установлены на оси 2 с возможностью вращения любой из них относительно оси 2 и вместе с этой осью 2. При этом роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 выполнена с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 9 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 по электрическому сигналу от датчика 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. Роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 имеет возможность снятия фиксации относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 9 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 по электрическому сигналу от датчика 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно корпуса 1. Роторная лопастно-поршневая крыльчатка 4 имеет возможность жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 по электрическому сигналу от датчика 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4. Крыльчатка 4 имеет возможность снятия фиксации роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 2 с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 по электрическому сигналу от датчика 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3.
Принято, что на фиг.1 направление вращения роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 осуществляется по часовой стрелке.
Двигатель внутреннего сгорания работает (на примере использования работы соседних камер 13, 14, 15, 16, выполняющих одновременно разные такты четырехтактного цикла) следующим образом (фиг.1). В рабочей полости осуществляется впуск воздуха через впускной клапан 5 во всасывающую камеру 13, сжатие находящегося в компрессорной камере 14 воздуха при вращении роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 под действием горящей и расширяющейся топливной смеси в камере 15 сгорания, и вытеснение отработанных газов из выхлопной камеры 16 через выпускное отверстие 6.
Такт всасывания. Всасывание воздуха осуществляется во время кругового движения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4, ранее снятой с фиксации относительно корпуса 1 и фиксированной на оси 2 с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4. Снятие с фиксации относительно корпуса 1 и фиксирование относительно оси 2 осуществлялось по сигналу от датчика 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3, во время приближения лопастного поршня 21 к лопастному поршню 20. Во время осуществления такта всасывания положение роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 фиксировано относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 9 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 по сигналу от датчика 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. Во время осуществления такта всасывания положение роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 фиксировано относительно оси 2, фиксирование осуществлялось с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 во время обнаружения места фиксации по сигналу от датчика 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. При всасывании через впускной клапан 5 во всасывающую камеру 13, расположенную между лопастными поршнями 20 и 21 роторных лопастно-поршневых крыльчаток 4 и 3, поступает воздух из атмосферы.
Такт сжатия. В компрессорной камере 14, расположенной между лопастными поршнями 19 и 20 роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3 и 4, воздух сжимается с помощью лопастного поршня 20 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4, фиксированной ранее относительно оси 2 с помощью фиксатора 10 при фиксированной относительно корпуса 1 роторной лопастно-поршневой крыльчатке 3 с помощью фиксатора 9. Повышая давление воздуха в компрессорной камере 14, лопастный поршень 20 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 удаляется от лопастного поршня 21 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 и в результате вращения приближается к лопастному поршню 19 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. Затем по сигналу от датчика 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно корпуса 1, с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и фиксируется относительно оси 2. Далее роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 вращается вместе с осью 2, роторной лопастно-поршневой крыльчаткой 4 и вместе со сжатым воздухом между лопастными поршнями 19, 20, перенося лопастные поршни 19, 20 и сжатый воздух на место лопастных поршней 18, 19 камеры 15 сгорания. Роторные лопастно-поршневые крыльчатки 3, 4 вместе с осью 2 здесь вращаются по инерции, но возможно вращение крыльчаток 3, 4 и оси 2 с помощью маховика или с помощью другой секции двигателя, установленной на этой же оси 2. Роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 вращается вместе с осью 2 и роторной лопастно-поршневой крыльчаткой 4, оставляя роторной лопастно-поршневой крыльчатке 4 место прежней фиксации роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 относительно корпуса 1. Когда лопастный поршень 20 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 подходит близко к форсунке 7 и свече 8 зажигания, роторная лопастно-поршневая крыльчатка 4 с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 снимается с фиксации относительно оси 2 и фиксируется относительно корпуса 1. При этом лопастный поршень 20 занимает место лопастного поршня 19. Такт сжатия закончен, компрессорная камера 14 подготовлена к выполнению следующего такта сжатия.
Такт горения и расширения (фиг.1). Сжатый воздух используется в камере 15 сгорания в такте горения и расширения. Такт горения и расширения начинается практически одновременно с выполнением трех других тактов, всасывания, сжатия и выхлопа. Горение и расширение осуществляются при движении лопастного поршня 18 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 при фиксированном положении роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно оси 2 и при фиксированном положении лопастного поршня 19 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 относительно корпуса 1. К началу горения и расширения топливной смеси лопастный поршень 20 и лопастный поршень 18 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 были заранее сняты с фиксации относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 10 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 по сигналу от датчика 11 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. Сигнал был подан в то время, когда лопастные поршни 19, 21 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 уже приблизились к лопастным поршням 18, 20 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4. После снятия фиксации относительно корпуса 1 лопастный поршень 18 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 фиксируется относительно оси 2. В камеру 15 сгорания впрыскивается топливная смесь через форсунку 7 и поджигается свечой 8 зажигания, чтобы под давлением сгорающей топливной смеси лопастный поршень 18 активно вращался вместе с роторной лопастно-поршневой крыльчаткой 4 и осью 2. Лопастный поршень 18 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 вращается вместе с осью 2 при фиксированном положении лопастного поршня 19 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 относительно корпуса 1. Лопастный поршень 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 при вращении роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 удаляется от лопастного поршня 19 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 и приближается к лопастному поршню 17 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. Затем по сигналу от датчика 12 положения движущейся роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 9 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и фиксируется относительно оси 2. Далее лопастный поршень 17 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 вращается с осью 2 и с лопастным поршнем 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 и оставляет лопастному поршню 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 место прежней фиксации лопастного поршня 17 относительно корпуса 1. После прохождения лопастным поршнем 18 пути около выпускного отверстия 6, сразу же лопастный поршень 18 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 освобождается от фиксации относительно оси 2 и фиксируется относительно корпуса 1. Лопастный поршень 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 фиксируется относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 по сигналу от датчика 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации лопастного поршня 17 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 относительно корпуса 1. За один оборот роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 в камере 15 сгорания 2N раз осуществляется такт горения и расширения. Здесь число N равно числу лопастных поршней одной роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 или крыльчатки 4. В двигателе имеется  камер сгорания. За один оборот роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 в камерах сгорания двигателя
раз осуществляется такт горения и расширения.
2
Такт выхлопа. Из выхлопной камеры 16 отработанные газы вытесняются лопастным поршнем 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 через выпускное отверстие 6. При подходе лопастного поршня 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 к неподвижному лопастному поршню 17 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 роторная лопастно-поршневая крыльчатка 3 снимается с фиксации относительно корпуса 1, фиксируется относительно оси 2 и начинает движение. Снятие с фиксации и фиксация осуществляется по сигналу от датчика 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 с помощью фиксатора 9 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3. После прохождения лопастным поршнем 18 пути около выпускного отверстия 6 лопастный поршень 18 в составе роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 освобождается от фиксации относительно оси 2. После этого лопастный поршень 18 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 фиксируется относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации лопастного поршня 17 роторной лопастно-поршневой крыльчатки 3 относительно корпуса 1 фиксатором 10 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 по сигналу от датчика 12 положения роторной лопастно-поршневой крыльчатки 4 относительно корпуса 1. Выхлопная камера 16 готова к повторению такта выхлопа, а двигатель внутреннего сгорания готов к повторению четырехтактного цикла работы. За один оборот роторных лопастно-поршневых крыльчаток 3, 4 в рабочей полости двигателя N раз осуществляется четырехтактный цикл работы. Свободные от работы по прямому назначению камеры можно использовать для выполнения вспомогательных работ, например для получения дополнительного количества сжатого воздуха, для принудительной смазки двигателя, для забора и нагнетания охлаждающей жидкости или воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания имеет следующие преимущества: повышенный коэффициент полезного действия; повышенная мощность и удельная мощность; уравновешенность двигателя.