Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении, производстве силовых установок и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания.
Уровень техники
Известно устройство - двигатель внутреннего сгорания (патент РФ № 2371593, дата публикации 27.10.2009 г.). Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, роторные пары поршней, свечу зажигания и фиксаторы положения роторных пар поршней. Роторные пары поршней установлены в одной рабочей полости на общей оси с возможностями вращения относительно оси, периодического соединения с осью и разделения рабочей полости на четыре рабочие камеры. Рабочая полость образована между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оси. Двигатель включает впускной клапан и форсунку. Каждая роторная пара поршней симметрична относительно оси вращения. Все роторные пары поршней установлены с возможностью периодического соединения с корпусом. Впускной клапан и выпускное отверстие связаны с одной рабочей полостью. Причем двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных пар поршней, установленными в корпусе, в роторных парах поршней и в оси. Фиксаторы положения роторных пар поршней установлены в роторных парах поршней, в корпусе и в оси.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является двигатель внутреннего сгорания (патент РФ № 2097584, дата публикации 27.11.1997 г.). Двигатель внутреннего сгорания содержит кольцевую камеру, четыре плунжера, уплотнения, стопор и устройство поджига. Четыре плунжера установлены в кольцевой камере с возможностью вращения в одном направлении вокруг оси кольцевой камеры посредством фиксаторов направления. Плунжеры, расположенные противоположно относительно оси вращения, попарно жестко соединены между собой посредством дисков. Уплотнения установлены на плунжерах. Стопор выполнен с возможностью ограничения хода пары жестко соединенных плунжеров относительно хода другой пары жестко соединенных плунжеров. Канал впуска и канал выпуска выполнены в стенке кольцевой камеры. Устройство поджига установлено в стенке кольцевой камеры. Внутри кольцевая камера выполнена в форме тора, образованного внешним кольцом и поверхностями дисков, обращенных к внешнему кольцу. Внутренняя поверхность внешнего кольца выполнена с вогнутостью, которая в продольном относительно оси вращения сечения выполнена в виде полуокружности. Поверхности дисков выполнены с вогнутостями, которые в продольном относительно оси вращения сечении выполнены в виде четверти окружности. Вогнутость внешнего кольца сопряжена с вогнутостями дисков с образованием окружности. Плунжеры выполнены в форме сектора тора. Уплотнение выполнено в виде компрессионного кольца, установленного на круглой поверхности сектора тора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение арсенала технических средств данного назначения.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем центральный вал, первый вал, второй вал, корпус, первое средство удержания, второе средство удержания, пружины, магниты, электромагниты, средство воспламенения, средство фиксации, четыре центральных соединительных элемента, два первых соединительных элемента, два вторых соединительных элемента, первый кольцевой элемент, второй кольцевой элемент, первый поршень, второй поршень, третий поршень, четвертый поршень и блок управления, корпус конструктивно соединен с первым средством удержания и вторым средством удержания, центральный вал соединен с центральными соединительными элементами, первый вал соединен с первым кольцевым элементом посредством первых соединительных элементов, первый кольцевой элемент соединен с первым поршнем и третьим поршнем, второй вал соединен со вторым кольцевым элементом посредством вторых соединительных элементов, второй кольцевой элемент соединен со вторым поршнем и четвертым поршнем, центральный вал расположен внутри первого вала, первый вал расположен внутри второго вала, центральный вал, первый вал и второй вал расположены соосно, и закреплены в первом средстве удержания, центральные соединительные элементы расположены в целом на равном угловом расстоянии друг от друга, первые соединительные элементы расположены с противоположных сторон от первого вала по отношению друг к другу, вторые соединительные элементы расположены с противоположных сторон от второго вала по отношению друг к другу, первый кольцевой элемент расположен соосно первому валу, второй кольцевой элемент расположен соосно второму валу, первый поршень и третий поршень расположены на первом кольцевом элементе со стороны его наибольшего диаметра, первый поршень и третий поршень расположены с противоположных сторон от первого кольцевого элемента, перпендикулярно первому кольцевому элементу, второй поршень и четвертый поршень расположены на втором кольцевом элементе со стороны его наибольшего диаметра, второй поршень и четвертый поршень расположены с противоположных сторон от второго кольцевого элемента, перпендикулярно второму кольцевому элементу, в корпусе выполнена торообразная полость, ограниченная стенкой, вырез, а также впускные отверстия и выпускные отверстия, торообразная полость расположена соосно центральному валу, вырез выполнен со стороны торообразной полости, обращенной к центральному валу, средство фиксации установлено в стенке торообразной полости, средство воспламенения расположено в стенке торообразной полости вблизи диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала и средство фиксации, впускные отверстия и выпускные отверстия расположены с противоположной стороны от оси вращения центрального вала по отношению к средству воспламенения, при этом впускные отверстия и выпускные отверстия расположены вблизи диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала и средство фиксации, причем выпускные отверстия и средство воспламенения расположены по одну сторону от диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала и средство фиксации, а впускные отверстия и средство воспламенения расположены с противоположных сторон от диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала и средство фиксации, первый кольцевой элемент и второй кольцевой элемент расположены в вырезе торообразной полости, первый поршень, второй поршень, третий поршень и четвертый поршень последовательно расположены в торообразной полости, при этом пружины вместе образуют замкнутую последовательность пружин, в которой они поочередно последовательно соединяют центральный соединительный элемент, первый соединительный элемент, другой центральный соединительный элемент, второй соединительный элемент, другой центральный соединительный элемент, другой первый соединительный элемент, другой центральный соединительный элемент, другой второй соединительный элемент, указанный выше первым центральный соединительный элемент, магниты закреплены на первом валу и втором валу, электромагниты закреплены во втором средстве удержания, при этом магниты и электромагниты размещены с возможностью их взаимодействия, блок управления электрически соединен со средством фиксации и электромагнитами, в частном случае впускные отверстия выполнены в одной плоскости, проходящей через ось торообразной полости, в другом частном случае выпускные отверстия выполнены в одной плоскости, проходящей через ось торообразной полости.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-7).
На чертежах обозначены: средство фиксации 1, защелка 2, торообразная полость 3, второй поршень 4, третья корпусная часть 5, электромагнит 6, магнит 7, первый выступ 8, второй выступ 9, центральный вал 10, первый вал 11, второй вал 12, вторая корпусная часть 13, первый соединительный элемент 14, второй соединительный элемент 15, первая корпусная часть 16, центральный соединительный элемент 17, шарнир 18, пружина 19, вырез 20, съемная часть (корпуса) 21, первый поршень 22, первый кольцевой элемент 23, третий поршень 24, четвертый поршень 25, средство воспламенения 26, выпускное отверстие 27, впускное отверстие 28, а также римскими цифрами обозначены рабочие объемы: первый рабочий объем I, второй рабочий объем II, третий рабочий объем III и четвертый рабочий объем IV.
На фиг. 1 показан поперечный разрез двигателя внутреннего сгорания в сборе, при этом зазор между вторым поршнем 4 и стенкой торообразной полости 3 показан увеличенным для наглядности, на фиг. 2 показан первый вал 11 с первыми соединительными элементами 14, первым кольцевым элементом 23, первым поршнем 22 и третьим поршнем 24, на фиг. 3 показано соединение центрального вала 10 с первым валом 11 и вторым валом 12 посредством пружин 19, на фиг. 4-7 схематично показаны рабочие объемы и образующие их элементы согласно циклам работы двигателя внутреннего сгорания.
Раскрытие изобретения
Основными элементами двигателя внутреннего сгорания (далее именуемого - двигатель) являются центральный вал 10 с центральными соединительными элементами 17, пружины 19, первый вал 11 с первыми соединительными элементами 14, первым кольцевым элементом 23, первым поршнем 22 и третьим поршнем 24, второй вал 12 со вторыми соединительными элементами 15, вторым кольцевым элементом, вторым поршнем 4 и четвертым поршнем 25, корпус, первое средство удержания, второе средство удержания, электромагниты 6, магниты 7, средство фиксации 1, средство воспламенения 26 и блок управления.
Центральный вал 10 представляет собой конструктивный элемент удлиненной формы, поперечные размеры которого малы по сравнению с его длиной. Центральный вал 10 выполнен с круглым поперечным сечением. Размеры поперечного сечения центрального вала 10 выбраны с обеспечением возможности его установки внутри первого вала 11. Центральный вал 10 установлен внутри первого вала 11 соосно первому валу 11. Материал центрального вала 10 выбран с обеспечением условия стойкости к эксплуатационным нагрузкам. В частном случае центральный вал 10 может быть выполнен из металла. Центральный вал 10 соединен с центральными соединительными элементами 17.
Центральный соединительный элемент 17 выполнен в виде стержня или продолговатой пластины. Центральных соединительных элементов 17 четыре. Центральные соединительные элементы 17 присоединены к центральному валу 10 вблизи одного из его торцов. В частном случае центральные соединительные элементы 17 могут быть выполнены заодно с центральным валом 10. Центральные соединительные элементы 17 расположены в целом ортогонально центральному валу 10. При этом центральные соединительные элементы 17 расположены в целом на равном угловом расстоянии друг от друга крестообразно по отношению друг к другу, т.е. каждый центральный соединительный элемент 17 расположен перпендикулярно двум соседним к нему центральным соединительным элементам 17 и по одной линии с центральным соединительным элементом 17, расположенным с противоположной стороны от центрального вала 10. На концах центральных соединительных элементов 17, наиболее удаленных от оси центрального вала 10, закреплены пружины 19.
Пружина 19 представляет собой упруго деформируемый элемент, обеспечивающий поглощение, накопление и отдачу механической энергии. В частном случае в двигателе установлены винтовые цилиндрические пружины 19 (ГОСТ 13764-86 Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Классификация). Каждая пружина 19 закреплена одним из своих концов на конце соответствующего ей центрального соединительного элемента 17. При этом на каждом центральном соединительном элементе 17 закреплено по две пружины 19. Одна из пружин 19 одного из центральных соединительных элементов 17 соединена с соответствующим ей первым соединительным элементом 14. Другая пружина 19 этого же центрального соединительного элемента 17 соединена с соответствующим ей вторым соединительным элементом 15. Таким образом к каждому первому соединительному элементу 14 прикреплено две соответствующие ему пружины 19, к каждому второму соединительному элементу 15 прикреплено две соответствующие ему пружины 19. Таким образом пружины 19 вместе образуют замкнутую последовательность пружин 19, в которой они поочередно последовательно соединяют центральный соединительный элемент 17, первый соединительный элемент 14, другой центральный соединительный элемент 17, второй соединительный элемент 15, другой центральный соединительный элемент 17, другой первый соединительный элемент 14, другой центральный соединительный элемент 17, другой второй соединительный элемент 15, указанный выше (в начале) центральный соединительный элемент 17. Пружины 19 прикреплены к соответствующим первым соединительным элементам 14 и вторым соединительным элементам 15, в частном случае, посредством элементов, имеющих возможность вращения вокруг точки своего крепления, например, шарниров 18. Такое крепление предотвращает изломы, загибы и закручивания пружины 19, а также обеспечивает увеличение срока службы данного крепления.
Центральный вал 10 со стороны, противоположной центральным соединительным элементам 17, выполнен и установлен с обеспечением возможности снятия с него рабочей нагрузки.
Первый вал 11 представляет собой длинномерное полое изделие в виде трубы. Поперечное сечение первого вала 11 выполнено круглым. Внешние размеры поперечного сечения выполнены с обеспечением возможности установки его внутри второго вала 12. Первый вал 11 расположен внутри второго вала 12 соосно второму валу 12. Внутренние размеры поперечного сечения выполнены с обеспечением возможности размещения внутри него центрального вала 10. Материал первого вала 11 выбран с обеспечением стойкости к эксплуатационным нагрузкам. В частном случае первый вал 11 выполнен из металла. Первый вал 11 соединен с первым кольцевым элементом 13 посредством двух первых соединительных элементов 14.
Первые соединительные элементы 14, в частном случае, выполнены с обеспечением возможности подсоединения первого кольцевого элемента 23 к первому валу 11 и могут быть выполнены любой формы. В частном случае первые соединительные элементы 14 выполнены в виде стержней или продолговатых пластин. Первые соединительные элементы 14 расположены вблизи одного из торцов первого вала 11. Первые соединительные элементы 14 расположены в целом ортогонально оси первого вала 11. Первые соединительные элементы 14 расположены с противоположных сторон от оси первого вала 11 по отношению друг к другу в целом по одной прямой линии. Первые соединительные элементы 14 надежно закреплены на первом валу 11, или в частном случае могут быть выполнены заодно с первым валом 11. Первые соединительные элементы 14 выполнены равными друг другу. Первые соединительные элементы 14 концами, наиболее удаленными от оси первого вала 11, присоединены к первому кольцевому элементу 23.
Первый кольцевой элемент 23 выполнен в виде кольца. Первый кольцевой элемент 23 выполнен равным наименьшему диаметру торообразной полости 3. Первый кольцевой элемент 23 расположен соосно первому валу 11. Материал первого кольцевого элемента 23 выбран с обеспечением стойкости ко всем эксплуатационным нагрузкам. В частном случае первый кольцевой элемент 23 выполнен из металла. Первый кольцевой элемент 23 присоединен к первым соединительным элементам 14 по поверхности наименьшего диаметра. Первый кольцевой элемент 23 со стороны поверхности наибольшего диаметра соединен с первой поршневой парой, т.е. с первым поршнем 22 и третьим поршнем 24.
На первом валу 11 закреплены соответствующие ему магниты 7. В частном случае указанные магниты 7 закреплены на имеющихся на первом валу 11 первых выступах 8. Первые выступы 8 расположены вблизи конца, противоположного первым соединительным элементам 14. Первые выступы 8 расположены в целом перпендикулярно оси первого вала 11. Первые выступы 8 могут быть выполнены как отдельные стержни или пластины. Первые выступы 8 могут быть соединены между собой или выполнены заодно в виде плоского кольца или диска.
Второй вал 12 представляет собой длинномерное полое изделие в виде трубы. Поперечное сечение второго вала 12 выполнено круглым. Внешние размеры поперечного сечения второго вала 12 выполнены с обеспечением возможности его крепления с обеспечением возможности вращения в первом средстве удержания, т.е., в частном случае, установки его внутри второй корпусной части 13. Внутренние размеры поперечного сечения второго вала 12 выполнены с обеспечением возможности размещения внутри него первого вала 11. Материал второго вала 12 выбран с обеспечением стойкости к эксплуатационным нагрузкам. В частном случае второй вал 12 выполнен из металла. Второй вал 12 соединен со вторым кольцевым элементом (на фигурах не показан, выполнен аналогично первому кольцевому элементу 23 и расположен с ним в непосредственной близости) посредством вторых соединительных элементов 15.
Вторые соединительные элементы 15 выполнены с обеспечением возможности подсоединения второго кольцевого элемента ко второму валу 12 и могут быть выполнены любой формы. В частном случае вторые соединительные элементы 15 выполнены в виде стержней или продолговатых пластин. Вторые соединительные элементы 15 расположены со стороны одного из торцов второго вала 12. Вторые соединительные элементы 15 расположены ортогонально оси второго вала 12. Вторые соединительные элементы 15 расположены с противоположных сторон от оси второго вала 12 по отношению друг к другу в целом по одной прямой линии. Вторые соединительные элементы 15 надежно закреплены на втором валу 12, или, в частном случае, могут быть выполнены заодно со вторым валом 12. Вторые соединительные элементы 15 выполнены равными друг другу. Вторые соединительные элементы 15 концами, наиболее удаленными от оси второго вала 12, присоединены ко второму кольцевому элементу.
Второй кольцевой элемент выполнен в виде кольца. Второй кольцевой элемент выполнен равным наименьшему диаметру торообразной полости 3. Второй кольцевой элемент расположен соосно второму валу 12. Материал второго кольцевого элемента выбран с обеспечением устойчивости ко всем эксплуатационным нагрузкам. В частном случае второй кольцевой элемент выполнен из металла. Второй кольцевой элемент присоединен ко вторым соединительным элементам 15 по поверхности наименьшего диаметра. Второй кольцевой элемент со стороны поверхности наибольшего диаметра соединен со второй поршневой парой, т.е. со вторым поршнем 4 и четвертым поршнем 25.
На втором валу 12 закреплены соответствующие ему магниты 7. В частном случае указанные магниты 7 закреплены на имеющихся на втором валу 12 вторых выступах 9. Вторые выступы 9 расположены вблизи конца, противоположного вторым соединительным элементам 15. Вторые выступы 9 расположены перпендикулярно оси второго вала 12. Вторые выступы 9 могут быть выполнены как отдельные стержни или пластины. Вторые выступы 9 могут быть соединены между собой или выполнены заодно в виде плоского кольца или диска.
Первый поршень 22, второй поршень 4, третий поршень 24 и четвертый поршень 25 (далее совместно именуемые - поршни) выполнены в виде части тора небольшой толщины. Указанная часть тора образована двумя поверхностями, проходящими через центральную ось тора (или так называемую ось вращения) и через его радиус, а также расположенной между ними криволинейной поверхностью самого тора. В частном случае возможно выполнение первого поршня 22, второго поршня 4, третьего поршня 24 и четвертого поршня 25 в виде цилиндра, имеющего высоту меньшую, чем его диаметр. Первый поршень 22, второй поршень 4, третий поршень 24 и четвертый поршень 25 установлены с обеспечением возможности создания герметичных объемов между ними. Герметичность может быть обеспечена любым доступным способом, применимым для данной области техники. В частном случае могут быть использованы уплотнения (поршневые кольца или уплотнительные прокладки).
Первый поршень 22 и третий поршень 24 закреплены со стороны внешнего диаметра первого кольцевого элемента 23. Первый поршень 22 и третий поршень 24 могут быть закреплены непосредственно к первому кольцевому элементу 23 или посредством промежуточных элементов, например, выступов или штырей, обеспечивающих надежное соединение, стойкое к эксплуатационным нагрузкам. Первый поршень 22 и третий поршень 24 расположены с противоположных сторон первого кольцевого элемента 23. Первый поршень 22 и третий поршень 24 расположены в целом перпендикулярно первому кольцевому элементу 23. В частном случае первый поршень 22 и третий поршень 24 расположены в одной плоскости, ортогональной плоскости первого кольцевого элемента 23.
Второй поршень 4 и четвертый поршень 25 закреплены со стороны внешнего диаметра второго кольцевого элемента. Второй поршень 4 и четвертый поршень 25 могут быть закреплены непосредственно ко второму кольцевому элементу или посредством промежуточных элементов, например, выступов или штырей, обеспечивающих надежное соединение, стойкое к эксплуатационным нагрузкам. Второй поршень 4 и четвертый поршень 25 расположены с противоположных сторон второго кольцевого элемента. Второй поршень 4 и четвертый поршень 25 расположены в целом перпендикулярно второму кольцевому элементу. Второй поршень 4 и четвертый поршень 25 расположены в целом в одной плоскости, ортогональной плоскости второго кольцевого элемента.
Корпус представляет собой наружную часть двигателя, обеспечивающую удержание всех элементов двигателя в пространстве определенным образом, а также обеспечивающую защиту всех элементов и механизмов от воздействия факторов окружающей среды. При этом корпус ограничивает доступ к движущимся конструктивным элементом для предотвращения травмирования человека. Корпус может быть выполнен любой формы. Корпус может быть выполнен цельным или составным из нескольких частей. В корпусе выполнена торообразная полость 3, ограниченная стенкой, вырез 20, а также впускные отверстия 28 и выпускные отверстия 27. В частном случае, для удобства сборки двигателя, в том числе формирования торообразной полости 3, корпус снабжен съемной частью 21, представляющей собой отдельную часть корпуса, частично образующую торообразную полость 3.
Торообразная полость 3 выполнена по форме тора. Торообразная полость 3 ограничена стенкой, представляющей собой элемент (поверхность и, по крайней мере, близлежащие к ней слои материала корпуса), фактически образующий торообразную полость 3. Торообразная полость 3 выполнена соосно центральному валу 10. При этом центральная ось тора (или так называемую ось вращения) совпадает с осью вращения центрального вала 10. На внутренней стороне торообразной полости 3 в стенке, обращенной к оси вращения тора, выполнен вырез 20. Вырез 20 выполнен кольцевым. Вырез 20 выполнен соосно торообразной полости 3. Вырез 20 по ширине выполнен с обеспечением возможности размещения в нем первого кольцевого элемента 23 и второго кольцевого элемента. При этом первый кольцевой элемент 23 и второй кольцевой элемент расположены в вырезе 20 торообразной полости 3. Диаметр указанного выреза 20, первого кольцевого элемента 23 и второго кольцевого элемента выполнены в целом равными друг другу с обеспечением возможности формирования герметичного пространства внутри с установленными в стенке торообразной полости 3 первым кольцевым элементом 23 и вторым кольцевым элементом. Для обеспечения герметичности указанной торообразной полости 3 в месте соприкосновения стенки торообразной полости 3 по вырезу 20 с первым кольцевым элементом 23 и вторым кольцевым элементом, а также первого кольцевого элемента 23 со вторым кольцевым элементом установлены уплотнительные кольца.
Уплотнительное кольцо представляет собой кольцо из упругого уплотнительного материала, обеспечивающего герметизацию зазора между элементами, а также беспрепятственное движение (вращение) элемента двигателя (первого кольцевого элемента 23 и второго кольцевого элемента). Для обеспечения беспрепятственного движения элементов возможно применение смазочных материалов. Для заливки смазочных материалов в стенке торообразной полости 3 могут быть выполнены соответствующие канавки, полости, отверстия или вырезы.
Блок управления выполнен с обеспечением возможности правильного взаимодействия элементов двигателя. В частном случае блок управления выполнен с обеспечением возможности своевременной выдачи сигнала на включение и выключение средства фиксации 1, включение и выключение электромагнитов 6 шагового электродвигателя, а также, в частном случае, средства воспламенения 26.
Средство фиксации 1 выполнено с обеспечением возможности удержания поочередно каждого из поршней (первого поршня 22, второго поршня 4, третьего поршня 24 и четвертого поршня 25) в определенном положении внутри торообразной полости 3. Средство фиксации 1 может быть выполнено электрическим. Средство фиксации 1 установлено в стенке торообразной полости 3, в частном случае со стороны его наибольшего диаметра. Средство фиксации 1 снабжено защелкой 2. Защелка 2 представляет собой подвижную часть средства фиксации 1, выполненную с обеспечением возможности прохождения через стенку (из стенки) торообразной полости 3 и вхождения во взаимодействие с каждым из поршней поочередно. При этом в каждом из поршней может быть выполнено соответствующее средству фиксации 1 углубление.
Средство воспламенения 26 выполнено с обеспечением возможности по джига смеси, расположенной в первом рабочем объеме I. В частном случае в качестве средства воспламенения 26 может быть использовано электронное средство воспламенения 26, выдающее искру в определенные моменты времени. Средство воспламенения 26 установлено в стенке торообразной полости 3. Средство воспламенения 26 расположено в стенке торообразной полости 3 вблизи диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала 10 и средство фиксации 1.
В корпусе выполнены впускные отверстия 28 и выпускные отверстия 27. Впускные отверстия 28 и выпускные отверстия 27 расположены с противоположной стороны от оси вращения центрального вала 10 по отношению к средству воспламенения 26. При этом впускные отверстия 28 и выпускные отверстия 27 расположены вблизи диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала 10 и средство фиксации 1. Впускные отверстия 28 и средство воспламенения 26 расположены с противоположных сторон от диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала 10 и средство фиксации 1. Впускных отверстий 28 в корпусе может быть выполнено несколько. Впускные отверстия 28 выполнены сквозными, обеспечивающими доступ через них рабочей среды в торообразную полость 3. В частном случае, впускные отверстия 28 расположены в виде кольца в целом в одной плоскости, проходящей через ось вращения тора, как формы торообразной полости 3. Выпускные отверстия 27 и средство воспламенения 26 расположены по одну сторону от диаметральной плоскости, проходящей через ось вращения центрального вала 10 и средство фиксации 1. Выпускных отверстий 27 в корпусе может быть выполнено несколько. Выпускные отверстия 27 выполнены сквозными, обеспечивающими отведения через них отработавших газов из торообразной полости 3. При этом выпускные отверстия 27 расположены в виде кольца в целом в одной плоскости, проходящей через ось вращения тора, как формы торообразной полости 3. Впускные отверстия 28 и выпускные отверстия 27 равноудалены от диаметральной линии торообразной полости 3, проходящей через ось вращения центрального вала 10 и средство фиксации 1. В частном случае средство фиксации 1 расположено с противоположной стороны относительно оси вращения тора, как формы торообразной полости 3, по отношению к впускным отверстиям 28 и выпускным отверстиям 27. В частном случае, средство воспламенения 26 расположено неподалеку от средства фиксации 1 со стороны отдаления поршней от средства фиксации 1.
Корпус конструктивно соединен с первым средством удержания и вторым средством удержания. Конструктивное соединение обеспечивает пространственное взаимное расположение и удержание составных элементов устройства (двигателя) с обеспечением его конструктивного единства и работоспособности. Конструктивное соединение имеет сложную конфигурацию с развитой пространственной структурой, в том числе с различными выступающими элементами в виде рамных конструкций для крепления отдельных узлов и конструктивных элементов, например, первого средства удержания и второго средства удержания. Первое средство удержания и второе средство удержания могут быть выполнены как части корпуса для размещения внутри него составных элементом и узлов устройства, например, в том числе, электромагнитов 6, валов и т.п. В частном случае, в качестве первого средства удержания выступает первая корпусная часть 16 и вторая корпусная часть 13, а в качестве второго средства удержания - третья корпусная часть 5.
Первая корпусная часть 16 выполнена в виде плоского кольца или диска. Внешний диаметр первой корпусной части 16 соответствует диаметру торообразной полости 3 по краю выреза 20. При этом первая корпусная часть 16 соединена (в частном случае, неразъемно) со стенкой торообразной полости 3 по краю выреза 20. Внутренний диаметр первой корпусной части 16 выполнен соответствующим диаметру второй корпусной части 13. При этом первая корпусная часть 16 соединена (в частном случае, неразъемно) с одним из торцов второй корпусной части 13.
Вторая корпусная часть 13 (второе средство удержания) выполнена с обеспечением возможности размещения и крепления внутри нее и беспрепятственного вращения в ней соосно установленных центрального вала 10, первого вала 11 и второго вала 12. Вторая корпусная часть 13 выполнена цилиндрической. Вторая корпусная часть 13 и вырез 20 в стенке торообразной полости 3 расположены с противоположных сторон от первой корпусной части 16. Вторая корпусная часть 13 выполнена с обеспечением возможности ее соединения и разъединения с третьей корпусной частью 5 вблизи торца, противоположного соединению с первой корпусной частью 16.
Третья корпусная часть 5 выполнена с обеспечением возможности закрытия части двигателя, в которой расположены первые выступы 8 с соответствующими магнитами 7 и вторые выступы 9 с соответствующими магнитами 7.
Магниты 7 и электромагниты 6 размещены с возможностью их взаимодействия посредством магнитного поля.
Электромагниты 6 закреплены во втором средстве удержания. Электромагниты 6 установлены с определенной периодичностью по всему периметру третьей корпусной части 5, с обеспечением их взаимодействия с магнитами 7, установленными на первых выступах 8 и вторых выступах 9. Таким образом указанные магниты 7 и электромагниты 6 являются частью шагового электродвигателя, обеспечивающего поворот поршней на определенный угол в процессе работы двигателя.
Первый поршень 22, второй поршень 4, третий поршень 24 и четвертый поршень 25 последовательно расположены внутри торообразной полости 3 с образованием между ними и соответствующими поверхностями торообразной полости 3 первого рабочего объема I, второго рабочего объема II, третьего рабочего объема III и четвертого рабочего объема IV. При этом первая поршневая пара и вторая поршневая пара расположены крестообразно. Первый рабочий объем I, второй рабочий объем II, третий рабочий объем III и четвертый рабочий объем IV в разные моменты времени имеют разные размеры и образованы двумя различными поршнями (первым поршнем 22 и вторым поршнем 4, вторым поршнем 4 и третьим поршнем 24, третьим поршнем 24 и четвертым поршнем 25, четвертым поршнем 25 и первым поршнем 22).
При фиксации одного из поршней соответствующей поршневой пары (например, четвертого поршня 25, как показано на фиг. 4), другой поршень этой поршневой пары (второй поршень 4) также остается неподвижным за счет жесткой фиксации поршней одной поршневой пары относительно друг друга (например, на втором кольцевом элементе второго вала 12). При этом другой поршень (второй поршень 4) расположен в нейтральном положении между впускными отверстиями 28 и выпускными отверстиями 27. Под нейтральным положением понимается положение без отклонения в сторону того или другого объема, отсутствие активного действия в образовании или изменении объемов, посередине, в целом на равном расстоянии от противоположных объектов (впускных отверстий 28 и выпускных отверстий 27).
Первый рабочий объем I расположен между поршнем, зафиксированным посредством средства фиксации 1, и отдаляющимся от него в данный момент другим поршнем. В стенке торообразной полости 3 в месте расположения первого рабочего объема I установлено средство воспламенения 26. Первый рабочий объем I представляет собой камеру сгорания или камеру рабочего хода, т.е. место сжигания рабочей среды.
Второй рабочий объем II расположен между поршнем зафиксированной поршневой пары, расположенным в нейтральном положении, и приближающимся к нему поршнем. В стенке торообразной полости 3 в месте расположения второго рабочего объема выполнены выпускные отверстия 27. Второй рабочий объем II представляет собой камеру выпуска отработавших газов.
Третий рабочий объем III расположен между поршнем зафиксированной поршневой пары, расположенным в нейтральном положении, и отдаляющимся от него поршнем. В стенке торообразной полости 3 в месте расположения третьего рабочего объема III выполнены впускные отверстия 28. Третий рабочий объем III представляет собой камеру впуска рабочей среды.
Четвертый рабочий объем IV расположен между поршнем, зафиксированным посредством средства фиксации 1, и приближающимся к нему поршнем. Четвертый рабочий объем IV представляет собой камеру сжатия рабочей среды.
Осуществление изобретения
В случае использования указанных выше элементов и средств, изобретение реализуется следующим образом.
Двигатель собирают описанным выше образом. При этом для выполнения торообразной полости 3 выполняют корпус со съемной частью 21, образующих после их соединения указанную торообразную полость 3. Точность соединения указанных частей корпуса выполняют из условия соблюдения герметичности и работоспособности двигателя в целом.
Описание работы двигателя, в частном случае дано перед началом нового рабочего хода при фиксации посредством средства фиксации 1 второй поршневой пары, а именно четвертого поршня 25, как показано на фиг. 4. При этом второй поршень 4 расположен в нейтральном положении между впускными отверстиями 28 и выпускными отверстиями 27. Первый рабочий объем I образован четвертый поршнем 25, первым поршнем 22 и соответствующим участком стенки торообразной полости 3. В первом рабочем объеме I расположена сжатая рабочая среда. Второй рабочий объем II образован первым поршнем 22, вторым поршнем 4 и соответствующим участком стенки торообразной полости 3. Во втором рабочем объеме II расположены отработавшие газы. Третий рабочий объем III образован вторым поршнем 4, третьим поршнем 24 и соответствующим участком стенки торообразной полости 3. В третьем рабочем объеме III расположены остатки отработавших газов после их выпуска. Четвертый рабочий объем IV образован третьим поршнем 24, четвертым поршнем 25 и соответствующим участком стенки торообразной полости 3. В четвертом рабочем объеме IV расположена впущенная рабочая среда.
Блок управления выдает команду на включение средству воспламенения 26. Срабатывает средство воспламенения 26. Происходит зажигание и расширение рабочей среды и, как следствие, рабочий ход. При этом первая поршневая пара начинает свое вращение, как показано на фиг. 5. Первый поршень 22 движется от четвертого поршня 25 ко второму поршню 4 под действием расширяющейся рабочей среды. При этом происходит уменьшение второго рабочего объема II и принудительный выпуск отработавших газов через выпускные отверстия 27. Одновременно с первым поршнем 22 движется третий поршень 24. Третий поршень 24 движется от второго поршня 4 к четвертому поршню 25. При этом образуется разрежение в третьем рабочем объеме III и принудительное втягивание в него рабочей среды через впускные отверстия 28. Рабочая среда, находящаяся в четвертом рабочем объеме IV, под давлением второго поршня 4 сжимается.
При достижении первым рабочим объемом I максимального значения третий рабочий объем III также достигает своего максимального значения. Второй рабочий объем II достигает минимального значения. Основное количество отработавших газов выпущено. Четвертый рабочий объем IV достигает минимального значения. При этом происходит максимальное сжатие рабочей среды в четвертом рабочем объеме IV. Первый поршень 22 и третий поршень 24 останавливаются, как показано на фиг. 6.
Далее по сигналу блока управления средство фиксации 1 выводит защелку 2 из зацепления с четвертым поршнем 25 освобождая его. По сигналу блока управления подается напряжение на соответствующие электромагниты 6 шагового электродвигателя. Электромагниты 6 своим магнитным полем отталкивают магниты 7, закрепленные на первых выступах 8 и вторых выступах 9. Происходит одновременное дискретное угловое перемещение первых выступов 8 и вторых выступов 9 на заданный угол, а также соответственно поворот первой поршневой пары и второй поршневой пары. Первая поршневая пара занимает положение фиксации.
По сигналу блока управления срабатывает средство фиксации 1, и защелка 2 входит в зацепление с третьим поршнем 24. При этом первый поршень 22 занимает нейтральное положение между впускными отверстиями 28 и выпускными отверстиями 27, как показано на фиг. 7. Первый рабочий объем I образован третьим поршнем 24 и четвертым поршнем 25. При этом между ними расположена рабочая среда, сжатая ранее (во время предыдущего рабочего хода) в четвертом рабочем объеме III. Второй рабочий объем II образован четвертым поршнем 25 и первым поршнем 22. При этом между ними расположены отработавшие газы, сгоревшие ранее (во время предыдущего рабочего хода) в первом рабочем объеме I. Третий рабочий объем III образован первым поршнем 22 и вторым поршнем 4. При этом между ними расположены остатки отработавших газов, оставшиеся ранее (во время предыдущего рабочего хода) во втором рабочем объеме II. Четвертый рабочий объем IV образован вторым поршнем 4 и третьим поршнем 24. При этом между ними расположена рабочая среда, втянутая ранее (во время предыдущего рабочего хода) в третьем рабочем объеме III.
Далее происходит очередной рабочий ход. По сигналу блока управления срабатывает средство воспламенения 26. Происходит возгорание и расширение рабочей среды в первом рабочем объеме I. При этом четвертый поршень 25 поворачивается в сторону первого поршня 22 выталкивая отработавшие газы через выпускные отверстия 27. Одновременно с ним поворачивается второй поршень 4 в сторону третьего поршня 24. Происходит сжатие рабочей среды в четвертом рабочем объеме IV. Третий рабочий объем III увеличивается в размерах и втягивает рабочую среду через впускные отверстия 28.
Далее снова по сигналу блока управления отключается средство фиксации 1. Посредством шагового электродвигателя осуществляют поворот первой поршневой пары и второй поршневой пары. Фиксируют второй поршень 4 средством фиксации 1 и повторяют рабочий ход описанным ранее образом.
Таким образом, за счет выполнения двигателя описанным выше образом, обеспечивают расширение арсенала технических средств данного назначения, достигается увеличение срока службы двигателя, повышение удельной мощности, снижение веса двигателя, повышение коэффициента полезного действия.
При этом в процессе работы двигателя происходит более равномерный износ уплотнений поршней ввиду отсутствия боковых усилий, и, следовательно, уменьшение количества деталей, требующих ремонта или замены в процессе эксплуатации. За счет уменьшения количества деталей, подвергающихся износу в процессе эксплуатации, увеличивается срок службы двигателя. За счет уменьшения количества деталей двигателя, в том числе, за счет отсутствия клапанов впуска и выпуска и сопутствующих приводных механизмов снижают материалоемкость двигателя.
Повышение коэффициента полезного действия обусловлено: более близким к идеальному термодинамическому процессу расширением рабочей смеси за счет того, что моменты максимального ускорения рабочего поршня и максимального давления в первом рабочем объеме I (камере сгорания) совпадают; отсутствием жесткой механической связи между рабочим валом и поршнями и замена этой связи на регулируемую с помощью блока управления и использования шаговых электродвигателей, что позволяет варьировать степень сжатия в зависимости от режима работы двигателя; отсутствие впускных и выпускных клапанов и сопутствующих механизмов приводит к более экономичному режиму работы двигателя.
Снижение веса и уменьшение объема достигнуто вследствие того, что в двигателе четыре рабочие области образованы внутри одной торообразной полости 3. Такая конструкция эквивалентна 8-цилиндровому двигателю внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, так как на каждую четверть оборота рабочего вала приходится один рабочий ход соответствующего поршня, в то время как в 4-тактном 4-цилиндровом двигателе внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом один рабочий ход приходится на каждые пол-оборота рабочего вала. При этом также уменьшается объем системы охлаждения за счет более локального охлаждения - охлаждать нужно только часть двигателя в зоне первого рабочего объема I (камеры сгорания), следовательно, уменьшен вес двигателя и его объем. Вследствие уменьшения объема и общего веса двигателя достигают повышения его удельной мощности.