ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИНУСОИДНЫМИ РАБОЧИМИ КАМЕРАМИ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в двигателестроении.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями (патент РФ на изобретение №2166654 опубл. 10.05.2001, бюл. №13), содержащий размещенные в корпусе гильзу цилиндра, поршень. Крышки цилиндра расположены по торцам. Поршень выполнен в виде цилиндрического трубчатого элемента, торцевые части которого уплотнены по наружной и внутренней поверхностям с помощью уплотнительных кольцевых элементов. Поршень взаимодействует посредством криволинейной замкнутой непрерывной непересекающейся канавки (паза) на своей боковой поверхности с передаточными механизмами. Механизмы установлены в корпусе двигателя и содержат тела вращения сферической или цилиндрической формы. Выходной вал двигателя проходит по оси цилиндра через ось поршня и рабочие объемы, расположенные с обеих сторон поршня.
Недостатками известного двигателя являются высокий износ в рабочей области из-за трения поршня о стенки цилиндра, малое количество рабочих тактов поршня за один оборот. Это снижает эффективность работы и надежность двигателя.
Наиболее близким к предложенной полезной модели, принятым за прототип, является бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ на изобретение №2196237, опубл. 10.01.2013, бюл. №1). Согласно одному из вариантов двигатель содержит поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения и выходной вал. При этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. Ролики установлены в корпусе двигателя и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня. Поршень внутри цилиндра совершает вращательное движение.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: цилиндр с поршнем, механизм газораспределения.
Недостатками прототипа являются низкая эффективность работы и надежность двигателя. Это обусловлено малым количеством рабочих тактов поршня за один оборот ротора и высоким износом в рабочей области, как результат трения поршня о стенки цилиндра.
Полезная модель направлена на создание двигателя высокой эффективности за счет увеличения числа рабочих тактов поршня за один оборот основного вала.
Это достигается тем, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с синусоидными рабочими камерами состоит из цилиндра с поршнем и механизма газораспределения. В предложенном решении цилиндр состоит из головки и юбки. На нижней стороне головки цилиндра выполнена синусоидная поверхность - два выступа и две впадины. В каждой впадине поверхности выполнена камера сжатия. На верхней стороне поршня выполнена синусоидная поверхность, соответствующая синусоидной поверхности головки цилиндра. Синусоидные поверхности выполнены с возможностью создания при работе двигателя рабочих камер переменного объема.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид ДВС; фиг. 2 - вид сверху с местным разрезом, показывающим крепления сферических тел; фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 2 с поршнем повернутым на 90°; фиг. 5 - синусоидные поверхности в момент минимального объема рабочей камеры; фиг. 6 - синусоидные поверхности в момент максимального объема рабочей камеры; фиг. 7 - вид крышки цилиндра снизу; фиг. 8 - разрез Б-Б на фиг. 7; фиг. 9 - вид головки цилиндра снизу; фиг. 10 - разрез В-В на фиг. 9; фиг. 11 - разрез Г-Г на фиг. 9; фиг. 12 - нижней части головки цилиндра; фиг. 13 - внешний вид вала с его сечениями; фиг. 14 - вид поршня сверху; фиг. 15 - разрез 3-3 на фиг. 14; фиг. 16 - разрез И-И фиг. 14; фиг. 17 - верхняя часть поршня; фиг. 18 - вид маховика снизу в масштабе 2:1; фиг. 19 - разрез К-К фиг. 18; фиг. 20 - разрез головки цилиндра в масштабе 2:1; фиг. 21 - разрез Л-Л фиг. 20; фиг. 22 - циклограмма работы двигателя; фиг. 23 - пример формирования рабочих камер переменного объема.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с синусоидными рабочими камерами содержит цилиндр 1 с крышкой 2, поршень 3, вал 4 и маховик 5. Вал 4 выполнен цилиндрической формы, но имеет квадратные сечения в местах для установки поршня 3 и передачи вращения на маховик 5. Цилиндр 1 состоит из головки 6 и юбки 7. На юбке 7 цилиндра установлены крепления 8 для сферических тел 9, например шаров. Головка 6 цилиндра включает втулку 10 с отверстием 11 для вала 4 и приливы 12 для крепления крышки 2 цилиндра. Нижняя сторона головки 6 цилиндра выполнена в виде синусоидой поверхности 13 - два выступа и две впадины. При этом в каждой впадине выполнено по камере сжатия 14.
В головке 6 цилиндра выполнены две полости 15 для прохода горючей смеси и две полости 16 для выхода отработанных газов с соответствующими отверстиями для прохода горючей смеси 17 и для выхода отработанных газов 18, а также отверстия 19 для свечей зажигания. В головке цилиндра установлен механизм газораспределения: впускные 20 и 21 и выпускные 22 и 23 клапана и контакты зажигания 24 и 25.
Крышка 2 цилиндра имеет соответствующие приливам 12 приливы 26 для крепления, например с помощью болтов, ее к головке цилиндра 6. В центральной части крышки выполнено отверстие 27 для вала 4. В центральной части поршня 3 выполнено отверстие 28 для втулки 10 цилиндра 1 и квадратное отверстие 29 для вала 4.
На верхней стороне поршня 3 выполнена в виде синусоидной поверхности 30 - два выступа и две впадины, соответствующие впадинам и выступам головки 6 цилиндра. Место синусоидной дорожки на поршне выбирается так, чтобы обеспечить минимальный зазор безопасности между синусоидными поверхностями поршня и цилиндра, чтобы не допустить их касания между собой и исключить их трение во время работы двигателя.
На внешней стороне поршня 3 выполнен синусоидный бесконечный паз 31 для движения сферических тел 9 - два выступа и две впадины. Между синусоидными поверхностями 13 и 30 во время работы двигателя образуются две рабочие камеры 32 и 33 переменного объема. Поршень 3 крепится на валу 4 с помощью гайки 34. Маховик 5 имеет квадратное отверстие 35 для вала 4 и установлен между крышкой цилиндра 2 и головкой цилиндра 6 на двух опорных подшипниках 36. На нижней части маховика 5 расположены выступ впуска горючей смеси 37, выступ выпуска отработанных газов 38 и выступ контакта зажигания 39. Двигатель также содержит уплотнительную систему с уплотнительными элементами в виде уплотняющих колец 40 на поршне 3 и уплотнительных полосок 41 на выступах синусоидной поверхности 13. Уплотнительные элементы закрывают с обеспечением герметичности зоны зазоров, препятствуя перепаду давления в рабочих камерах, и установлены на поршне и на вершине выступов головки цилиндра.
СБОРКА ДВИГАТЕЛЯ.
Соединить с помощью гайки 34 поршень 3 и вал 4 через отверстие 29. Установить эту сборку в цилиндр 1. С помощью крепления 8 на юбке 7 установить сферические тела 9 в дорожку 31 поршня 3. Втулку 10 установить на вал 4 посредством отверстия 11 и 28 поршня 3. Через отверстие 35 установить маховик 5 с подшипниками 36 на вал 4. Установить крышку цилиндра 2 на головке цилиндров 6 с помощью приливов 12 и 26, пропустив вал 4 в отверстие 27.
ДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:
При вращении маховика 5 против часовой стрелки, если смотреть снизу, за счет запасенной энергии, поршень 3 начинает совершать возвратно-поступательное и вращательное движение внутри цилиндра 1, обкатываясь синусоидной замкнутой дорожкой 31 вокруг сферических тел 9, при этом между поверхностями 13 и 30 создаются две рабочие камеры 32 и 33 переменного объема. Маховик 5 своими выступами 37, 38, 39 при помощи клапанов 20, 21, 22, 23 и контакта зажигания 24, 25 осуществляет управление газораспределением и зажиганием с помощью свечей, установленных в отверстия 19. Двигатель работает в четырехтактном цикле, обеспечивая два рабочих такта за один оборот поршня 3 и вала 4.
ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ (см. фиг. 3)
Поршень 3 находится в верхнем крайнем положении. Рабочие камеры 32 и 33 имеют объем равный объему камеры сжатия 14. Впускной клапан 20 рабочей камеры 32 находится в начале выступа впуска 37, а остальные клапаны закрыты.
ЦИКЛОГРАММА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ (см. фиг. 22)
а) ПРИ ПОВОРОТЕ ПОРШНЯ ОТ 0° ДО 90° (движение поршня вниз и увеличение объема рабочих камер)
- Рабочая камера 32. Маховик 5 своим выступом 37 открывает впускной клапан 20, и происходит такт впуска. Через отверстия 17 полости 15 горючая смесь попадает в рабочую камеру 32.
- Рабочая камера 33. Клапана 22 и 23 закрыты, маховик 5 своим выступом 39 замыкают контакт зажигания 25 и происходит такт рабочего хода.
б) ПРИ ПОВОРОТЕ ПОРШНЯ ОТ 90° ДО 180° (движение поршня вверх и уменьшение объема рабочих камер)
- Рабочая камера 32. Маховик 5 выводит выступ 37 и закрывает впускной клапан 20. Происходит такт сжатия.
- Рабочая камера 33. Маховик 5 своим выступом 38 открывает выпускной клапан 23. Происходит такт выпуска.
в) ПРИ ПОВОРОТЕ ПОРШНЯ ОТ 180 ДО 270° (движение поршня вниз и увеличение объема рабочих камер)
- Рабочая камера 32. Клапаны 20 и 21 закрыты, маховик 5 своим выступом 39 замыкает контакт зажигания 24 и происходит такт рабочего хода.
- Рабочая камера 33. Маховик 5 своим выступом 37 открывает впускной клапан 21 и происходит такт впуска. Отработанные газы выходят через отверстия 18 полости 16.
г) ПРИ ПОВОРОТЕ ПОРШНЯ ОТ 270° ДО 360° (движение поршня вверх и уменьшение объема рабочих камер)
- Рабочая камера 32. Маховик 5 своим выступом 38 открывает выпускной клапан 21. Происходит такт выпуска.
- Рабочая камера 33. Маховик 5 выводит выступ 37 и закрывает впускной клапан 21. Происходит такт сжатия.
Двигатель вернулся в исходное положение.
При перемещении внутри цилиндра поршень совершает вращательное и возвратно-поступательное движения, что снижает трение поршня о стенки цилиндра. При этом между синусоидными поверхностями головки цилиндра и поршня создаются рабочие камеры переменного объема, что позволяет обеспечить четырехтактный цикл работы двигателя, т.е. увеличить число рабочих тактов поршня за одни оборот основного вала. Таким образом, предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность работы двигателя.