ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания с качающимися поршнями.
Известен двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрическом блоке камер сгораний которого установлены на основном поворотном валу соосно один другому и с возможностью возвратного перемещения поршни, взаимосвязанные посредством коленчатого вала с выходным валом, системы подачи топливной смеси, зажигания и газораспределительный механизм, включающий впускные и выпускные клапана (US 4043301, 1977).
Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания является его низкая мощность.
Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрическую камеру сгорания, в полости которой на поворотном валу, соосном с продольной осью камеры, установлены с возможностью возвратно-поворотного перемещения поршни, выполненные в виде пластин, скрепленных с образующими втулки, жестко скрепленной с поворотным валом, вал отбора мощности и механизм преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности, при этом камера сгорания снабжена средствами подачи топливной смеси, отвода газа и зажигания (см. RU №2193094 F02B 53/00, 2001).
Двигатель является громоздким, конструктивно сложен, кроме того, отсутствует возможность передачи сколь-нибудь значительных вращающих моментов.
Изобретение решает задачу передачи значительных вращающих моментов при снижении громоздкости и шумности конструкции.
Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрическую камеру сгорания, в полости которой на поворотном валу, соосном с продольной осью камеры, установлены с возможностью возвратно-поворотного перемещения поршни, выполненные в виде пластин, скрепленных с образующими втулки, жестко скрепленной с поворотным валом, вал отбора мощности и механизм преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности, при этом камера сгорания снабжена средствами подачи топливной смеси, отвода газа и зажигания, отличается тем, что в полости цилиндрической камеры сгорания выполнены как минимум две перегородки, равноудаленные друг от друга, высота которых соответствует высоте полости камеры сгорания, а ширина соответствует расстоянию от поверхности втулки до внутренней поверхности камеры сгорания, причем поверхность перегородки, обращенная к втулке, конгруэнтна ей, при этом механизм преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности включает вилку, жестко закрепленную на конце поворотного вала, выступающем из цилиндрической камеры сгорания, причем в полости вилки на оси, пересекающей ее проем, установлена с возможностью качания вторая втулка, в полости которой с возможностью вращения размещена средняя часть Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности, продольная ось которой составляет острый угол с осью вращения вала отбора мощности, кроме того, центр симметрии средней части Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности находится на оси вращения этого вала, при этом ось качания второй втулки пересекает центр симметрии средней части Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности. Кроме того, выпускные отверстия средств подачи топливной смеси, приемные отверстия средств отвода газа и рабочие элементы средств зажигания размещены на сторонах перегородок, обращенных к поршням, и связаны с соответствующими каналами отвода газов, подвода топливной смеси, подвода электропитания, предпочтительно выполненными в объеме перегородки. Кроме того, вал отбора мощности включает четное число Z-образных коленчатых участков, выполненных с возможностью взаимодействия с таким же числом поворотных валов, половина которых установлена с возможностью вращения в противофазе с другой половиной, для чего половина средних частей Z-образных коленчатых участков вала отбора мощности параллельна друг другу, а вторая половина размещена зеркально им. Кроме того, при нечетном числе Z-образных коленчатых участков поворотный вал снабжен балансиром, выполненным с возможностью качания в противофазе с одним из поршней. Кроме того, угол между продольными осями средних частей коленчатых участков и осью вращения вала отбора мощности превышает 20°, но меньше 45°. Кроме того, в полости цилиндрической камеры сгорания выполнена одна перегородка и размещен как минимум один поршень. Кроме того, число поршней равно числу отсеков, образованных в полости цилиндрической камеры сгорания перегородками.
Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «в полости цилиндрической камеры сгорания выполнены как минимум две перегородки, равноудаленные друг от друга, высота которых соответствует высоте полости камеры сгорания, а ширина соответствует расстоянию от поверхности втулки до внутренней поверхности камеры сгорания» обеспечивают «разделение» внутреннего объема камеры сгорания как минимум на две равных по объему рабочих полукамеры, работающих синхронно, в которых давление расширяющихся газов приходится на разные поверхности поршня его сторон, расположенных по разные стороны от осей ращения поворотного вала, что обеспечивает этап качания (отклонения) поршня в одну сторону и последующее его качание (отклонение) в противоположную сторону.
Признаки «поверхность перегородки, обращенная к втулке, конгруэнтна ей» обеспечивают возможность вращения поворотного вала с надежным изолированием объема одной полукамеры от другой.
Признаки, указывающие, что механизм преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности «включает вилку, жестко закрепленную на конце поворотного вала, выступающем из цилиндрической камеры сгорания» обеспечивают придание вилке возвратно-поворотного движения, соответствующего повороту поворотного вала, обеспечиваемого «работой» поршней в камере сгорания.
Признаки, указывающие, что «в полости вилки на оси, пересекающей ее проем, установлена с возможностью качания вторая втулка» вместе с признаками, указывающими, что в полости втулки «с возможностью вращения размещена средняя часть Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности, продольная ось которой составляет острый угол с осью вращения вала отбора мощности» обеспечивают «автоматическое совпадение» положения продольной оси Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности и продольной оси второй втулки при вращении вала отбора мощности, вызванном проворотом его коленчатого участка.
Признаки «центр симметрии средней части Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности находится на оси вращения этого вала, кроме того, ось качания второй втулки пересекает центр симметрии средней части Z-образного коленчатого участка вала отбора мощности» задают форму вала, обеспечивающую возможность изменения углового отклонения проекции продольной оси средней части Z-образного рабочего участка от проекции оси вращения вала от максимума до совпадения с ней (превращают вал отбора мощности в коленчатый вал), кроме того, обеспечивается возможность вращения вала, при котором части Z-образного рабочего участка вала, находящиеся с обеих сторон оси вращения, «работают» в противофазе друг с другом, отклоняясь от нее на одинаковые расстояния.
Признаки «вал отбора мощности включает четное число Z-образных коленчатых участков, выполненных с возможностью взаимодействия с таким же числом поворотных валов, половина которых установлена с возможностью вращения в противофазе с другой половиной, для чего половина средних частей Z-образных коленчатых участков вала отбора мощности параллельна друг другу, а вторая половина размещена зеркально им» формулы обеспечивают уравновешивание усилий, возникающих при работе одной камеры сгорания, противоположно направленными усилиями, возникающими при работе второй камеры сгорания.
Признаки второго пункта формулы обеспечивают реализацию операций, необходимых для организации работы камеры сгорания, обеспечивая полноту использования внутреннего объема полости камеры сгорания в целях увеличения угла поворота поворотного вала.
Признаки третьего пункта формулы обеспечивают максимальное по величине преобразование энергии газов, образующихся при сгорании топливной смеси во вращающий момент на валу отбора мощности.
Признаки четвертого пункта формулы конкретизируют возможные варианты решения камеры сгорания.
На фиг.1 изображен схематически фронтальный вид устройства; на фиг.2 изображен схематически его вид сбоку; на фиг.3 показан объемный вид устройства при повороте вала отбора мощности на угол, равный 0°, на фиг.4 показан объемный вид устройства при повороте вала отбора мощности на угол, равный 60°, на фиг.5 показан объемный вид устройства при повороте вала отбора мощности на угол, равный 90°.
На чертежах показаны цилиндрическая камера сгорания 1 (корпус камеры сгорания показан полупрозрачным, для наглядности), поворотный вал 2, продольная ось 3, поршни 4, цилиндрическая втулка 5, вал отбора мощности 6 и механизм преобразования возвратно-поворотного движения поршней 4 во вращательное движение вала отбора мощности 6, перегородки 7. Выпускные отверстия 8 средств подачи топливной смеси (на чертежах не показаны), приемные отверстия 9 средств отвода газа (на чертежах не показаны) с газоотводящими клапанами 10 и рабочие (воспламеняющие) элементы средств зажигания 11 (при реализации двигателя как дизельного эти элементы не нужны) предпочтительно размещены на сторонах перегородки 7, обращенных к поршням 4, хотя и могут быть размещены в крышке 12 цилиндрической камеры сгорания 1 (в первом случае, каналы отвода газов, подвода топливной смеси, линии электропитания могут быть выполнены в объеме соответствующих перегородок). При этом каждая сторона перегородки снабжена средствами отвода газа и средствами подвода топливно-воздушной смеси и средством зажигания. Число перегородок в принципе может быть произвольным, при этом число поршней (пластин, закрепляемых на втулке) соответствует числу перегородок (или равно числу отсеков, образованных в полости цилиндрической камеры сгорания перегородками).
Механизм преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности включает вилку 13, жестко закрепленную на конце 14 поворотного вала 2, выступающем из цилиндрической камеры сгорания 1, при этом в полости вилки (между ее «зубцами») на оси 15, пересекающей ее проем, установлена с возможностью качания вторая втулка 16, через полость 17 которой с возможностью вращения пропущена средняя часть 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6. Кроме того, показаны продольная ось 20, средняя часть 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6, которая составляет острый угол с осью вращения 21 вала отбора мощности 6, причем центр симметрии 22 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6 находится на оси вращения 21 этого вала, кроме того, ось качания 15 второй втулки 16 пересекает центр симметрии 22 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6.
Кроме того, вал отбора мощности 6 включает как минимум два Z-образных коленчатых участка 19, выполненных с возможностью взаимодействия с двумя цилиндрическими камерами сгорания 1, при этом поворотные валы 2 названных камер сгорания установлены с возможностью вращения в противофазе (для этого половина средних частей Z-образных коленчатых участков вала отбора мощности параллельна друг другу, а вторая половина размещена зеркально им - на представленных чертежах половина соответствует единице). Кроме того, при нечетном числе Z-образных коленчатых участков поворотный вал снабжен балансиром (на чертежах не показан) для компенсации изгибных нагрузок, возникающих при поворотах поршней. Кроме того, угол между продольными осями средних частей коленчатых участков и осью вращения вала отбора мощности превышает 20°, но меньше 45°. Этот угол должен соответствовать углу отклонения поршня 4 от среднего положения (угловому расстоянию между обращенными друг к другу поверхностями перегородок 7). Поворотный вал 2 соосен с продольной осью 3 цилиндрической камеры сгорания 1 и установлен с возможностью возвратно-поворотного перемещения в ее полости. Поршни 4 выполнены в виде пластин, жестко скрепленных с образующими втулки 5, жестко скрепленной с поворотным валом 2.
Перегородка 7 выполнена высотой, соответствующей высоте полости камеры сгорания 1, а ширина соответствует расстоянию от поверхности втулки 5 до внутренней поверхности камеры сгорания 1. Поверхность перегородки 7, обращенная к втулке 5 (выполненной цилиндрической), конгруэнтна ей (повторяет ее - т.е. выполнена с выемкой, имеющей цилиндрическую форму, с кривизной, соответствующей кривизне поверхности втулки 5). Торцы поршней, обращенные к поверхности полости камеры сгорания 1, снабжены уплотнениями, выполненными известным образом по типу уплотнений, используемых в роторных двигателях.
Конструктивные отличия газоотводящих 10 и топливоподводящих 23 клапанов, средств зажигания 11 топливной смеси от известных узлов сводятся к их компоновочным решениям при известных принципах работы, реализуемых в известных двигателях внутреннего сгорания.
Заявленный двигатель работает следующим образом.
В исходном положении (на фиг.3) нижняя (на чертеже) сторона поршня 4 своей поверхностью, находящейся слева от диаметральной плоскости, проходящей через пластину поршня, максимально сближена с правой стороной первой перегородки 7. Одновременно верхняя (на чертеже) сторона поршня 4 своей поверхностью, находящейся справа от диаметральной плоскости, проходящей через пластину поршня, максимально сближена с левой стороной второй перегородки 7. Таким образом, рабочий объем полости камеры сгорания 1 разделен на две полукамеры (два полуцилиндра).
При описанном положении поршней и максимальном давлении топливо-воздушной смеси в меньших объемах полукамер, когда «обслуживающие» их газоотводящие 10 и топливоподводящие 23 клапаны уже закрыты, известным образом, посредством средств зажигания 11, осуществляют воспламенение топливной смеси. В больших объемах полукамер, прилегающих к другим сторонам перегородки 7, вследствие максимального расширения газов, образовавшихся при сгорании топливно-воздушной смеси, давление минимально, что приводит к открытию газоотводящего клапана, обслуживающего этот объем камеры сгорании. Вследствие этого, при воспламенении топливной смеси в меньших объемах полукамер, образующийся при этом объем газов, оказывая давление на обращенные к нему поверхности поршня 4, будет отодвигать его от обращенных к ним поверхностей перегородок 7, что приведет к его развороту вместе с поворотным валом 2. При этом исходно малый объем полукамеры будет расти до максимума, а исходно больший объем уменьшится до минимума. По завершению цикла качания нижняя (на чертеже) сторона поршня 4 своей поверхностью, находящейся справа от диаметральной плоскости, проходящей через пластину поршня, оказывается максимально сближена с правой стороной второй перегородки 7. Одновременно верхняя (на чертеже) сторона поршня 4 своей поверхностью, находящейся слева от диаметральной плоскости, проходящей через пластину поршня, оказывается максимально сближена с левой стороной первой перегородки 7.
Далее все повторяется в обратном порядке. Таким образом, работа камеры сгорания 1 обеспечивает возвратно-поворотное движение поворотного вала 2 на определенный угол - его разворот (отклонение) то в одну, то в другую сторону.
Преобразование этого движения во вращательное движение вала отбора мощности, направленное в одну сторону, обеспечивается механизмом преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности.
При этом вращение поворотного вала 2 приводит к соответствующему развороту вилки 13 относительно продольной оси этого вала. Для уяснения работы механизма преобразования возвратно-поворотного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности рассмотрим работу одной камеры сгорания (см. фиг.3-5).
Пусть исходное положение соответствует фиг.3, нижняя сторона чертежа условно соответствует горизонтальной плоскости. При этом проекции на горизонтальную плоскость оси вращения 21 вала отбора мощности и продольной оси 20 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6 совпадают. Поворот вилки от исходного положения вызывает отклонение второй втулки 16 (разворот ее продольной оси, совпадающей с продольной осью 20 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6) и соответственно разворот на такой же угол средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19, при этом проекции продольной оси 20 и оси вращения 21 вала отбора мощности 6 на горизонтальную плоскость пересекаются в точке, являющейся проекцией на эту же плоскость центра симметрии 22 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6 (см. фиг.4-5). При этом угол между проекциями названных осей определяется исходной величиной угла между осями 20 и 21. Это изменение взаимного положения проекций является следствием отклонения продольной оси 20 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 от вертикальной плоскости (от исходного положения). Возможность такого движения обеспечивается проворотом средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6 в полости второй втулки 16 и ее «шарнирностью» относительно оси 15, зафиксированной в вилке 13. В свою очередь, изменение положения средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6 приводит к повороту всего вала отбора мощности 6 (в плоскости чертежа - по часовой стрелке). Этот угол поворота продолжает расти и когда продольная ось 20 средней части 18 Z-образного коленчатого участка 19 вала отбора мощности 6 окажется в горизонтальной плоскости (вал отбора мощности 6 повернется на угол, равный 90° относительно исходного положения).
Далее начинается уменьшение угла отклонения проекций осей 21 и 20, начинается поворот поворотного вала вправо (в плоскости чертежа), сопровождаемый увеличением угла поворота вала отбора мощности 6 до 180° от исходного. При повороте вала 6 на 180° от исходного проекции осей 20 и 21 совпадают снова, но на фронтальном виде положение выше оси вращения 21 вала отбора мощности 6 займет часть Z-образного рабочего участка, находящуюся справа от продольной оси 3. При дальнейшем повороте вилки 13 вправо угол поворота вала отбора мощности 6 нарастает и достигает 270° при максимальном повороте вала 2 относительно оси 3. Далее начинается поворот вилки 13 влево и при возвращении ее в исходное положение завершается полный оборот вала 6 относительно продольной оси 21. Далее все повторяется.
Предложенное устройство может быть использовано в машиностроении, предпочтительно в двигателестроении, поскольку в конструкциях поворотных роторных двигателей позволяет преобразовать возвратно-поворотное движение ротора во вращательное движение вала отбора мощности без использования шатунных механизмов (при постоянном и небольшом расстоянии от цилиндра до вала отбора мощности).