ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к вращательному двигателю, который может заменить существующие двигатели внутреннего сгорания в большинстве областей их современного использования.
Уровень техники
Вращательные двигатели обычно имеют один поршень для всех процессов, происходящих во время рабочего цикла (впуск, сжатие, сжигание, расширение). Даже в том случае, когда они имеют, по меньшей мере, один поршень для процесса впуска и сжатия, а также, по меньшей мере, один поршень для процесса сжигания и расширения, эти поршни обычно имеют одинаковый радиус вращения. Наконец, даже в том случае, когда поршни сжатия имеют меньший радиус вращения, чем поршни расширения, их перемещение не предусматривается на минимальном и максимальном радиусах соответственно.
С другой стороны, в некоторых весьма редких случаях можно встретить двигатели с третьей камерой, когда эта камера используется для переноса рабочей среды с передней стороны одного лишь поршня к его задней стороне для того, чтобы поршень также служил и в качестве поршня расширения. Это означает, что имеется только один поршень, который служит в качестве поршня сжатия, так же как и в качестве поршня расширения, и даже в том случае, когда имеется напорная камера, она не располагается непосредственно между камерой сжатия и сжигания-расширения.
Раскрытие изобретения
Двигатель по изобретению имеет следующие конструктивные особенности.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
2
А. Важной характеристикой двигателя является выходной крутящий момент на валу двигателя (на коленчатом валу в случае двигателя с возвратно-поступательным движением). Для того чтобы повысить до максимума этот крутящий момент, необходимо увеличить до максимума крутящий момент, развиваемый на валу двигателя вследствие расширения газов сгорания, а также снизить до минимума момент сопротивления, создаваемый сжатием воздуха или топливовоздушной смеси. Вообще, крутящий момент определяется как векторное произведение вектора приложенной силы на вектор от оси вращения до точки приложения силы. Таким образом, легко представить себе ось вала α, на котором расположены два рычага длиной I и I, соответственно, для процесса сжатия и процесса расширения (фиг.1). Если силы сжатия и расширения F и F приложены, соответственно, к концам двух рычагов длиной I и I, то для снижения до минимума крутящего момента, производимого рычагом длиной I сжатия, необходимо уменьшить до минимума или даже до нуля длину рычага сжатия. И наоборот, для повышения до максимума крутящего момента расширения от силы F на рычаге длиной I расширения необходимо иметь рычаг длиной I расширения как можно более длинным. В отношении сжатия это может быть легко достигнуто путем расположения камеры сжатия и ее поршня (поршня сжатия) на цилиндрической поверхности вала двигателя. При этом длина рычага сжатия равна нулю, и расстояние между силой сжатия и геометрической осью вала α двигателя минимально. В отношении расширения рычаг длиной I расширения должен быть длинным настолько, насколько это позволяет пространство двигателя. При приложении силы (силы расширения) к свободному концу этого рычага, чем больше длина рычага, тем больше будет крутящий момент на валу α двигателя. Это означает, что рекомендуется расположить поршень сжатия непосредственно на валу двигателя, а поршень расширения - на рычаге, который выполнен с возможностью прикрепления к валу двигателя, причем указанный ведущий рычаг предназначен для того, чтобы расстояние от поршня до вала было максимально. Все поршни движутся по круговым орбитам, плоскости которых перпендикулярны геометрической оси вала двигателя и имеют цилиндрическую форму, причем ось их цилиндра совпадает с кольцевым путем их движения (это означает, что ось цилиндра не является прямой, а имеет кривизну).
Круговая траектория поршня сжатия имеет минимальный радиус вращения, необходимый для обеспечения минимального крутящего момента для сжатия сжигаемого воздуха или топливовоздушной смеси; причем круговая траектория поршня расширения имеет максимальный радиус вращения, создающий максимальный крутящий момент во время сгорания и расширения топливовоздушной смеси.
Уплотнение поршней легко осуществляется с использованием поршневых колец, разработанных для поршней двигателей с возвратно-поступательным движением.
Камера сгорания и расширения образована кольцевой неподвижной оболочкой, которая охватывает цилиндрическую поверхность поршня расширения, и подвижной или движущейся стенкой, которая необходима для сохранения уплотнения камеры на протяжении всего одновременного движения поршня расширения и его рычага. Вращающаяся стенка кольцевой формы выполнена с возможностью крепления на свободном конце ведущего рычага, противоположном указанному валу двигателя, причем указанный поршень расширения выполнен с возможностью размещения с прилеганием к внешней цилиндрической поверхности указанной вращающейся стенки вследствие вращательного движения указанного, по меньшей мере, одного ведущего рычага.
В. Данный двигатель содержит один поршень для забора и сжатия воздуха и один поршень для сжигания топливовоздушной смеси и расширения газов сгорания. Поршни движутся по кругу вокруг геометрической оси вала двигателя. Процесс сгорания и расширения приводит поршень расширения в круговое движение. При своем вращении поршень расширения приводит во вращение ведущий рычаг, а последний приводит во вращение вал двигателя. И наконец, вращение вала двигателя приводит поршень сжатия. В ходе процесса расширения рабочего цикла осуществляется процесс сжатия для следующего рабочего цикла.
С. Для данного двигателя требуются три камеры для выполнения полного рабочего цикла (фиг.2). Одна камера для забора и сжатия воздуха для сгорания или топливовоздушной смеси (камеры 2α и 2β сжатия), одна камера для аккумулирования воздуха или топливовоздушной смеси под высоким давлением (напорные камеры 3α и 3β) и камера для сгорания топливовоздушной смеси и расширения газов сгорания (камера 1 сгорания и расширения).
Между камерой сжатия и камерой сгорания и расширения размещена с возможностью прохода текучей среды напорная камера. Она выполнена с возможностью соединения расположенных на расстоянии камеры сжатия и камеры сгорания и расширения путем вмещения воздуха или топливовоздушной смеси под давлением.
Напорная камера вмещает воздух или топливовоздушную смесь, давление которой имеет такую же величину, как давление, способное направить топливовоздушную смесь в камеру сгорания и расширения для воспламенения. В случае аккумулирования топливовоздушной смеси в напорной камере смесь должна находиться под давлением, которое в достаточной степени ниже, чем давление самовоспламенения смеси, что вызывает необходимость наличия внутри камеры сгорания и расширения свечей зажигания (8α и 8β) для инициирования воспламенения. Свечи зажигания повышают температуру смеси до температуры воспламенения (т.е. они создают соответствующие условия для начала сгорания (фиг.3).
Поскольку камера сгорания и расширения находится достаточно далеко от камеры сжатия, единственный соединительный канал между этими двумя камерами вызывал бы расширение сжатого воздуха или топливовоздушной смеси внутри канала во время передачи из одной камеры в другую. При этом конечное давление воздуха или топливовоздушной смеси на входе в камеру сгорания и расширения было бы ниже желательного и процесс сгорания и расширения был бы значительно слабее. В случае использования единственного передаточного канала и сжатия воздуха или топливовоздушной смеси до давления, значительно выше желаемого для того, чтобы текучая среда поступала в камеру сгорания и расширения под давлением, близким к желаемому, несмотря на расширение в канале, объем канала настолько велик по сравнению с объемом сжатого воздуха или топливовоздушной смеси, что степень сжатия должна быть слишком высокой, и значительная часть рабочего крутящего момента была бы бесполезно потеряна. Кроме того, потребовалось бы излишнее усиление материалов для того, чтобы выдерживать высокое давление.
Для того чтобы избежать этих проблем, данный вращательный двигатель содержит между камерой сжатия и камерой сгорания и расширения третью камеру -напорную камеру. Из-за большого расстояния между камерой сжатия и камерой сгорания и расширения напорная камера расположена между ними для того, чтобы обеспечивать равенство давления воздуха или топливовоздушной смеси в конце процесса сжатия в камере сжатия и на входе в камеру сгорания и расширения без растрачивания полезной мощности или необходимости усиления материалов двигателя. Камера сжатия и камера сгорания и расширения соединены только с напорной камерой, тогда как их непосредственное сообщение невозможно ввиду расстояния между ними. Передача текучей среды между камерой сжатия и напорной камерой возможна через клапан, который может представлять собой электромагнитный обратный клапан (11 - фиг.4), ведущий из камеры сжатия в напорную камеру, который допускает проход воздуха или топливовоздушной смеси только тогда, когда давление в камере сжатия равно или больше давления в напорной камере. Как только скользящий затвор (6α и 6β - фиг.2 и 4) камеры сжатия открывается, давление в камере сжатия снижается, поскольку сжатый воздух смешивается с атмосферным воздухом от камеры забора, и обратный клапан (11) закрывается. Для передачи текучей среды из напорной камеры в камеру сгорания и расширения также используется клапан, который может быть электромагнитным обратным клапаном (9 - фиг.3), ведущий из напорной камеры в камеру сгорания и расширения и управляемый электронной системой. И наконец, каждая напорная камера снабжена предохранительным клапаном (5 - фиг.2) для предотвращения чрезмерного повышения давления внутри напорной камеры вследствие высокой температуры, которая может создаваться при работе двигателя или в жарких климатических условиях.
Оба клапана (для передачи текучей среды из напорной камеры в остальные две камеры) могут управляться процессором двигателя или могут быть обратными клапанами и их закрытие управляется разностью давлений между соседними камерами.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 изображает вал двигателя с двумя рычагами (рычагом сжатия и рычагом расширения),
фиг.2 изображает неподвижную часть двигателя со скользящими затворами камеры сжатия и камеры сгорания и расширения,
фиг.3 изображает узел А с фиг.2, детально представляя компоненты камеры сжатия и камеры сгорания и расширения,
фиг.4 изображает узел В с фиг.2, детально представляя компоненты камеры сжатия и напорной камеры,
фиг.5 изображает скользящие затворы и подвижные компоненты, включая вал двигателя, ведущий рычаг, подвижную стенку камеры сгорания и расширения и поршни,
фиг.6 изображает вид компонентов с фиг.5 в другой перспективе,
фиг.7 изображает фазу забора атмосферного воздуха,
фиг.8 изображает фазу свободного движения поршня сжатия в камере сжатия,
фиг.9 изображает момент начала процесса сжатия,
фиг.10 изображает конечную стадию процесса сжатия,
фиг.11 изображает вход воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания и расширения из напорной камеры (конечная стадия процесса сжатия),
фиг.12 изображает фазу сгорания, расширения и удаления газов сгорания,
фиг.13 изображает циркуляцию воды при водяном охлаждении,
фиг.14 изображает внешнюю систему охлаждения двигателя,
фиг.15 изображает подвижные части, включающие вал двигателя, ведущий рычаг, подвижную стенку камеры сгорания и расширения и поршни при внутреннем воздушном охлаждении,
фиг.16 изображает подвижные части с фиг.15 в поперечном разрезе,
фиг.17 изображает части с фиг.15, иллюстрируя стрелками циркуляцию охлаждающего воздуха,
фиг.18 изображает узел С с фиг.17,
фиг.19 изображает узел D с фиг.17,
фиг.20 изображает неподвижную часть двигателя при выполнении с внешним воздушным охлаждением,
фиг.21 изображает поршни сжатия, расположенные на рычагах, которые передают движение вала двигателя на поршни сжатия,
фиг.22 изображает подвижную часть двигателя, причем вращающаяся стенка камеры сгорания и расширения имеет переменное поперечное сечение для сохранения высокого уровня давления во время расширения газов сгорания,
фиг.23 изображает компоненты с фиг.15 с двумя поршнями расширения,
фиг.24 изображает уплотнение камеры сжатия и поршня,
фиг.25 изображает уплотнение камеры сгорания и расширения и поршня.
Осуществление изобретения
В отношении последующего описания примеров осуществления изобретения следует отметить, что они не являются ограничительными и даны в качестве иллюстрации для пояснения изобретения. Размеры являются исключительно иллюстративными, возможны различные изменения и модификации, а существующие современные технологии в области двигателей могут способствовать дальнейшему совершенствованию двигателя по изобретению. Некоторые системы и компоненты, не изображенные на чертежах, такие как система подачи и впрыска топлива, опущены преднамеренно, так как они могут быть такими же, как в известных двигателях.
В соответствии с изобретением двигатель состоит из четырех подвижных частей и одной неподвижной части, которые изображены на фиг.2-6.
На фиг.2 показан неподвижный наружный блок двигателя, содержащий камеру 1 сгорания и расширения, камеры 2α и 2β забора и сжатия воздуха, напорные камеры 3α и 3β и воздушные фильтры 4α, 4β, 4α и 4β. Воздушные фильтры расположены на оболочках камер сжатия во впускных отверстиях для атмосферного воздуха. В показанном примере выполнения воздушные фильтры расположены на двух сторонах каждой камеры сжатия, образуя два впуска для атмосферного воздуха в каждой камере. Напорные камеры могут иметь любую возможную форму, но в данном примере осуществления выбрана форма внутреннего пространства, при которой указанные камеры будут иметь минимальный объем. На оболочке камеры 1 сгорания и расширения имеются две топливные форсунки 7α и 7β и две свечи зажигания 8α и 8β. Позициями 6α, 6β и 12 обозначены соответственно скользящие затворы камеры сжатия и камеры сгорания и расширения. Позицией 10 обозначен выпускной канал (место выхода газов сгорания в выхлопное отверстие для удаления).
Движущиеся части показаны на фиг.5 и 6 и включают вал 16 двигателя, поршни 13α и 13β сжатия, ведущий рычаг 15 и поршень 14 расширения. Использование двух поршней сжатия и, соответственно, двух камер сжатия и двух напорных камер не является обязательным. Пары элементов использованы только для уравновешивания вала двигателя. Может быть использован только один поршень сжатия и, соответственно, одна камера сжатия и одна напорная камера. На валу двигателя с помощью шпонки 18 может быть установлена шестерня 17 для передачи вращения вала в коробку передач.
Скользящий затвор 12 камеры 1 сгорания и расширения показан на фиг.5. В закрытом состоянии скользящий затвор прижат пружиной к поверхности подвижной стенки камеры сгорания и расширения для предотвращения смешивания топливовоздушной смеси с выхлопными газами предыдущего рабочего цикла.
Скользящие затворы 6α и 6β камер 2α и 2β сжатия показаны на фиг.5. В закрытом положении эти скользящие затворы прижаты пружинами к поверхности вала двигателя, чтобы предотвратить контакт сжатого воздуха или топливовоздушной смеси с атмосферным воздухом камеры забора.
Клапаны 5, 9 и 11 напорных камер 3α и 3β показаны на фиг.2-4. Они служат для сообщения напорной камеры с другими камерами и для контроля давления в ней. Позицией 5 обозначен предохранительный клапан, предотвращающий чрезмерное давление внутри напорной камеры. Для каждой напорной камеры (3α и 3β) предусмотрен один обратный клапан. Позицией 11 обозначен обратный клапан для сообщения камеры сжатия с напорной камерой. Позицией 9 обозначен обратный клапан для сообщения напорной камеры с камерой сгорания и расширения. Для каждой напорной камеры (3α и 3β) предусмотрен один такой клапан.
Камера (2α, 2β) сжатия находится в контакте с внешней цилиндрической поверхностью вала (16) двигателя, образована внешней цилиндрической поверхностью вала (16) двигателя, скользящим затвором (6α, 6β) сжатия, поршнем (13α, 13β) сжатия и неподвижной тороидальной оболочкой, выполненной с возможностью крепления на раме двигателя, причем указанный поршень (13α, 13β) сжатия укреплен непосредственно на указанном валу (16) двигателя.
Камера (1) сгорания и расширения образована скользящим затвором (12) сгорания, поршнем (14) расширения, неподвижной тороидальной оболочкой, выполненной с возможностью крепления на раме двигателя, и подвижной вращающейся стенкой.
На чертежах показана только одна сторона двигателя, поэтому видны только одна напорная камера и одна камера сжатия, однако очевидно, что описание относится в равной мере и к другим напорным камерам и камерам сжатия. В данном случае это означает, что описание относится к парам напорных камер и камер сжатия. И наконец, на чертежах изображены стрелки потока, которые показывают положение и направление потока рабочей среды. Для данного двигателя рабочая среда не остается одной и той же на протяжении всего рабочего цикла, а изменяется внутри напорной камеры. Более конкретно, объем воздуха, который всасывается и сжимается в камере сжатия, аккумулируется в напорной камере, и тот же самый объем подается из напорной камеры в камеру сгорания и расширения.
Принцип действия двигателя иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.7. Вращение поршня 13α сжатия создает позади него зону очень низкого давления, что вызывает всасывание атмосферного воздуха в камеру 2α сжатия через воздушные фильтры 4α и 4β.
Фиг.8. Скользящие затворы 6α и 6β широко открыты, позволяя поршням сжатия вращаться в камерах сжатия без какого-либо существенного сопротивления. Как только весь объем камеры сжатия заполнен атмосферным воздухом, воздух для сгорания беспрепятственно циркулирует внутри камеры сжатия.
Фиг.9. Поршни 13α и 13β приходят в надлежащее положение для начала процесса сжатия (угол φ). Угол φ является углом, который задает объем сжатия и, следовательно, количество воздуха, которое будет сжато в каждом рабочем цикле. Таким образом, изменение величины угла φ изменяет рабочий объем двигателя. Рабочий объем двигателя в данном двигателе является объемом сжимаемого воздуха. Величина угла φ по существу определяется временным режимом работы скользящих затворов. Временной режим работы этих затворов регулирует объем воздуха для сгорания, который будет сжат. Такая регулировка очень важна для величины расхода топлива применительно к транспортным средствам. Если имеется возможность регулировать временной режим работы скользящих затворов электронным путем, можно регулировать длительность рабочего цикла в соответствии с условиями дорожного движения. Это означает, что водитель транспортного средства с двигателем большого рабочего объема сможет настроить временной режим работы скользящих затворов для того, чтобы снизить количество воздуха и топлива, подаваемого в камеры, в случае, когда дорожные условия не позволяют использовать максимальный разгон транспортного средства.
Как только поршень сжатия достигает положения под углом φ, определенным на основе положения скользящих затворов, затворы 6α и 6β закрываются, запирая значительную часть воздуха, циркулирующего внутри камер сжатия. Этот объем образован соответственно поршнями 13α и 13β и скользящими затворами 6α и 6β. Это пространство представляет реальный объем сжатия, в то время как остальная часть камеры служит только для впуска атмосферного воздуха (камера забора). Воздух, который остается в камере забора, смешивается с новым поступающим атмосферным воздухом, который проходит в камеру через воздушные фильтры вследствие низкого давления, создаваемого позади поршней сжатия, пока скользящие затворы 6α и 6β остаются закрытыми.
Фиг.10. При продолжении вращения поршней 13α и 13β сжатия давление запертого воздуха (воздуха для сгорания) непрерывно повышается. По окончании фазы сжатия давление достигает достаточной величины для открытия клапана 11 и прохода сжатого воздуха из камеры сжатия в напорную камеру.
Фиг.11. Одновременно открывается клапан 9, чтобы позволить тому же количеству сжатого воздуха выйти из напорной камеры и поступить в камеру сгорания и расширения, так что общее давление внутри напорной камеры остается таким же, как до открытия клапанов. Когда передача сжатого воздуха из напорной камеры в камеру сгорания и расширения заканчивается, скользящие затворы 6α и 6β двух камер сжатия открываются, так что поршни сжатия могут пройти под ними. С другой стороны, открытие этих скользящих затворов выравнивает давление в камере сжатия с атмосферным давлением, что вызывает полное закрытие клапанов 11 за счет разности давления на двух сторонах этих клапанов. Клапаны 11 остаются закрытыми вследствие разности давления до тех пор, пока давление в камере сжатия не станет снова равным или превысит давление внутри напорной камеры. Скользящие затворы 6α и 6β остаются открытыми, пока поршни сжатия не придут снова в заданное угловое положение (угол φ) для начала фазы сжатия следующего рабочего цикла. В то время, когда клапаны 9 открыты и сжатый воздух поступает из напорной камеры в камеру сгорания и расширения, в камеру сгорания и расширения впрыскивается топливо. Вследствие разности давления между напорной камерой и камерой сгорания и расширения сжатый воздух входит в камеру сгорания и расширения с высокой скоростью и турбулентностью. Его поступлению способствует низкое давление, которое создается с обратной стороны поршня сгорания (расширения). Таким образом, обеспечиваются быстрое смешивание воздуха с топливом и быстрая газификация топлива.
Фиг.12 (положение I стрелки потока). Высокое давление вызывает самовоспламенение смеси, в то время как свечи зажигания 8α и 8β (см. фиг.3) обеспечивают быстрое распространение пламени по всему объему камеры сгорания и расширения для того, чтобы, по меньшей мере теоретически, использовать преимущества сгорания при постоянном объеме.
Фиг.12 (положение II стрелки потока). Полученные газы сгорания расширяются, толкая поршень 14 расширения и приводя его во вращательное движение. Поршень 14 расширения вращает рычаг 15, а рычаг вращает вал 16 двигателя, который, в свою очередь, вращает поршни 13α и 13β сжатия. Расширение продолжается до тех пор, пока поршень расширения не достигнет закрытого скользящего затвора 12.
В этот момент скользящий затвор 12 открывается, и, пока поршень 14 расширения проходит над клапаном 9 (см. фиг.11), начинается поступление сжатого воздуха следующего рабочего цикла из напорных камер в камеру сгорания и расширения, препятствуя входу газов сгорания (отработавших газов) в камеру сгорания и расширения, так как высокое давление в камере сгорания и расширения заставляет газы сгорания выходить через выпускной канал 10 (см. фиг.3).
Фиг.12 (положение III стрелки потока). После прохода поршня 14 мимо скользящего затвора 12 последний закрывается и поршень вытесняет выхлопные газы через выпускной канал.
Описанный выше цикл демонстрирует принцип работы двигателя, после его окончания последовательность действий начинается снова.
Что касается способа работы вращательного двигателя внутреннего сгорания, то он содержит шаги:
открытие скользящего затвора (6α, 6β) камеры (2α, 2 β) сжатия;
перемещение поршня (13α, 13β) сжатия для создания за ним области пониженного давления, которая приводит к вводу атмосферного воздуха в указанную камеру (2α, 2β) сжатия через воздушные фильтры;
заполнение всего объема указанной камеры (2α, 2β) сжатия атмосферным воздухом;
закрытие скользящего затвора (6α, 6β) камеры (2α, 2β) сжатия, формирующее объем воздуха между указанным скользящим затвором (6α, 6β) и поршнем (13α, 13β) сжатия;
сжатие указанного объема воздуха для сгорания путем непрерывного перемещения поршня (13α, 13β) сжатия;
открытие клапана (9) камеры (1) сгорания и расширения, позволяющее воздуху для сгорания перейти из напорной камеры (3α, 3β) в камеру (1) сгорания и расширения;
перемещение поршня расширения для создания за ним области пониженного давления, которая приводит к вводу воздуха для сгорания в указанную камеру (1) сгорания и расширения из указанной напорной камеры (3α, 3β);
открытие клапана (11) камеры сжатия при достижении заданного давления, позволяющее воздуху для сгорания перейти из камеры (2α, 2β) сжатия в напорную камеру (3α, 3β);
впрыскивание топлива в указанную камеру (1) сгорания и расширения для смешивания с воздухом для сгорания;
воспламенение топливовоздушной смеси с помощью, по меньшей мере, одной свечи (8α, 8β) зажигания, создающее газ сгорания, который расширяется и приводит поршень (14) расширения в движение, которое двигает вал (16) двигателя, который двигает указанный поршень (13α, 13β) сжатия;
впуск воздуха для сгорания в указанную напорную камеру (3α, 3β);
закрытие указанного клапана (11) камеры сжатия.
В том случае, когда топливо впрыскивается в трубопровод, то способ работы вращательного двигателя внутреннего сгорания содержит шаги:
открытие скользящего затвора (6α, 6β) камеры (2α, 2β) сжатия;
перемещение поршня (13α, 13β) сжатия для создания за ним области пониженного давления, которая приводит к вводу воздуха и топлива в указанную камеру (2α, 2β) сжатия через воздушные фильтры;
заполнение всего объема указанной камеры (2α, 2β) сжатия топливовоздушной смесью;
закрытие скользящего затвора (6α, 6β) камеры (2α, 2β) сжатия, формирующее объем топливовоздушной смеси между указанным скользящим затвором (6α, 6β) и поршнем (13α, 13β) сжатия;
сжатие указанного объема топливовоздушной смеси путем непрерывного перемещения поршня (13α, 13β) сжатия;
открытие клапана (9) камеры сгорания и расширения, позволяющее топливовоздушной смеси перейти из напорной камеры (3α, 3β) в указанную камеру (1) сгорания и расширения;
перемещение поршня расширения для создания за ним области пониженного давления, которая приводит к вводу топливовоздушной смеси в указанную камеру (1) сгорания и расширения из указанной напорной камеры (3α, 3β);
открытие клапана (11) камеры сжатия при достижении заданного давления, позволяющее топливовоздушной смеси перейти из камеры (2α, 2β) сжатия в напорную камеру (3α, 3β);
воспламенение указанной топливовоздушной смеси с помощью, по меньшей мере, одной свечи (8α, 8β) зажигания, расположенной в камере (1) сгорания и расширения, создающее газ сгорания, который расширяется и приводит поршень (14) расширения в движение, которое двигает вала (16) двигателя, который двигает указанный поршень (13α, 13β) сжатия;
впуск топливовоздушной смеси в указанную напорную камеру (3α, 3β);
закрытие указанного клапана (11) камеры сжатия.
Двигатель по изобретению имеет следующие преимущества.
Важнейшей особенностью двигателя является стремление расположить камеру сгорания и расширения как можно дальше от вала двигателя, в то время как камера сжатия должна быть расположена как можно ближе к валу двигателя. Эта цель служит для максимального повышения крутящего момента, развиваемого валом двигателя, и снижения до минимума крутящего момента (получаемого от вала), необходимого поршням сжатия для сжатия воздуха сгорания либо топливовоздушной смеси. Это расстояние между камерой сжатия и камерой сгорания и расширения является основанием того, что двигатель будет иметь крутящий момент значительно выше, чем существующие или находящиеся в разработке двигатели с таким же расходом топлива. Данное расстояние вызывает необходимость в наличии третьей камеры, а именно напорной камеры, которая обеспечивает равенство термодинамических условий в начале процесса сгорания и в конце процесса сжатия, не требуя слишком высоких степеней сжатия и материалов, способных выдерживать эти степени сжатия.
Тот факт, что временной режим работы скользящих затворов сжатия не является установленным и может изменяться, изменяя количество воздуха для сгорания, обеспечивает возможность регулировки величины объема сжатия в соответствии с желанием или требованиями пользователя двигателя. В том случае, если двигатель будет работать в качестве атмосферного двигателя, объем сжатия определяет массу воздуха для сгорания и, соответственно, расход топлива в соответствии с воздушным коэффициентом А, характеризующим отношение количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси. Таким образом, применительно к двигателю автомобиля, водитель может с помощью электронной системы регулировать временной режим работы скользящих затворов и, соответственно, расход топлива согласно своим нуждам в зависимости от того, застрял ли он в дорожной пробке или следует по скоростной магистрали. В первом случае в транспортных средствах с большим рабочим объемом двигателя степень сжатия может быть снижена до величины, достаточной только для движения машины без больших ускорений. Это значительно снизит расход топлива, а также загрязнение окружающей среды транспортными средствами, особенно при интенсивном дорожном движении.
Другими словами, каждая из указанных камер (2α, 2β) сжатия и камеры (1) сгорания и расширения снабжены скользящими затворами (6α, 6β), (12), которые управляются для их открытия и закрытия таким образом, что определяют степень сжатия и степень расширения, при этом временной режим работы скользящих затворов (6α, 6β), (12) указанной камеры (2α, 2β) сжатия определяет объем сжатия, и тем самым непосредственно влияет на выходную мощность двигателя, поскольку они изменяют количество используемой рабочей среды указанной камеры (2α, 2β) сжатия, которая является воздухом или топливовоздушной смесью.
В случае использования двигателя в транспортных средствах возможность создания автомобильного двигателя, который может функционировать с различными объемами сжатия согласно временному режиму работы скользящих затворов, позволяет разработать двигатель для использования во множестве версий одного и того же автомобиля (например, спортивная модель, автомобиль-универсал, внедорожник и т.д.).
Затраты на изготовление данного двигателя могут быть ниже, чем на известные двигатели. С другой стороны, его простая конструкция облегчает проектирование системы водяного охлаждения и снижает потребление энергии для циркуляции охлаждающей воды. В случае использования системы водяного охлаждения простая конструкция облегчает циркуляцию воды во всех местах с высокой температурой в двигателе без резких изменений направления и сложных маршрутов. Это снижает перепад давления потока и энергопотребление. Это легко видеть на фиг.13, где показан двигатель с водяным охлаждением и циркуляция в нем охлаждающей воды. Охлаждающая вода омывает всю наружную поверхность камеры сгорания и расширения и камеры сжатия. Что касается напорной камеры, поскольку газ в этой камере имеет постоянную температуру в течение всего рабочего цикла, камера может быть выполнена из материала, выдерживающего эту температуру, так что можно обойтись без охлаждения этой камеры. Более того, если конструктор двигателя хочет сохранить высокую температуру аккумулируемой среды, рекомендуется не только избегать охлаждения этой камеры, но также использовать теплоизоляционный материал.
Вследствие простой конструкции двигателя механические потери в нем меньше, а тот факт, что поршни не совершают возвратно-поступательного движения, позволяет получать высокое число оборотов при низком шуме.
Газы сгорания, вытесняемые поршнем расширения прямо в выпускной канал, поступают в этот канал непрерывным потоком, имея очень большую кинетическую энергию. Таким образом, они могут использоваться для обеспечения либо потребностей двигателя в электрической энергии (таких как привод в действие скользящих затворов или привод масляного насоса или водяного насоса), либо механических потребностей, таких как привод вентилятора при наличии системы воздушного охлаждения.
Принцип действия данного двигателя позволяет устранить такие проблемы, как преждевременное воспламенение топлива. Движение поршня сгорания-расширения является однонаправленным, а не возвратно-поступательным. Таким образом, преждевременное воспламенение не создает сопротивления вращению поршня. С другой стороны, явление преждевременного воспламенения менее вероятно в этом двигателе, поскольку оно имеет место в двигателях с возвратно-поступательным движением поршней только вблизи верхней мертвой точки, где скорость поршня близка к нулю. Следовательно, в данном двигателе, где поршень имеет низкие скорости только при запуске двигателя, можно считать, что эта проблема отсутствует.
И, наконец, разность давлений между напорной камерой и камерой сгорания и расширения способствует поступлению сжатого воздуха из напорной камеры в камеру сгорания и расширения. В этот момент давление в камере сгорания и расширения очень низкое в результате движения поршня расширения (скользящий затвор камеры расширения закрыт). Таким образом, создается поток большой турбулентности, достаточно эффективный для создания однородной смеси до начала фазы сгорания.
Что касается системы воздушного охлаждения, вместо наружного охлаждения с помощью вентилятора и охлаждающих ребер (фиг.14) может использоваться внутреннее охлаждение камер (фиг.15 и 16). Более конкретно, поскольку поршни при своем вращении развивают высокие поступательные скорости, представляет интерес использование для охлаждения камер развиваемых центробежных сил. При соответствующем выполнении вала 16 двигателя, ведущего рычага 15 и поршней 13α, 13β и 14 (с выполнением их внутренней части в виде сопла Вентури) (фиг.15 и 16) атмосферный воздух будет всасываться и после очистки ускоряться и направляться вдоль внутренних стенок камер для их охлаждения.
Этот способ охлаждения не требует воздушных фильтров 4α-4δ. Воздух фильтруется различными способами - даже так, как он фильтруется в настоящее время в современных транспортных средствах, и затем направляется на торец вала двигателя, где воздух всасывается через ребра 20α и 20β на теле вала во внутренний канал 19 (фиг.16) и далее проходит через каналы 21α, 21β и 22, выполненные внутри рычага 15 и внутри поршней 13α, 13β и 14. В заключение воздух ударяется о внутренние стенки камер 2α, 2β и 1 для их охлаждения. Каналы 21 а, 21β и 22 выполнены в форме сопел Вентури (фиг.15 и 16), что способствует ускорению охлаждающего воздуха перед его контактом со стенками камер. Охлаждение камеры сгорания и расширения предшествует сгоранию, а охлаждение камеры сжатия следует за процессом сжатия (фиг.17-19).
Наконец, внутренние стенки камеры (2α, 2β) сжатия и камеры (1) сгорания и расширения охлаждаются воздухом, прошедшим через фильтры, причем указанный воздух всасывается через ребра, расположенные на торцах полого вала (16) двигателя, затем указанный воздух ускоряется за счет развиваемой центробежной силы, а также за счет формы внутренних полостей полых поршней и рычагов, соответствующей соплу Вентури.
Кроме того, охлаждению всего двигателя может содействовать наружное охлаждение, как это показано на фиг.14, где камера сгорания и расширения снабжена наружными ребрами для более быстрого охлаждения. На фиг.20 лучше видны наружные ребра, распределенные на трех камерах.
2
В двигателе большого рабочего объема поршни сжатия могут быть расположены на удалении от вала двигателя на рычагах (45α, 45β), которые передают движение вала поршням, как показано на фиг.21, где вал является частью двигателя с воздушным охлаждением. Такое решение предлагается ввиду того, что объем камеры сжатия рассчитывается по формуле 2πR·πd/4, где R - радиус вращения центра поршня сжатия, a d- диаметр камеры. Следовательно, сохраняя размер поршня сжатия (т.е. диаметра d) постоянным, объем камеры может быть увеличен только путем увеличения радиуса R. Это означает, что рычаг (45а, 45β) выполнен с возможностью передачи движения вала (16) двигателя на поршни (13α, 13β) сжатия, причем указанная камера (2α, 2β) сжатия образована неподвижной оболочкой, выполненной с возможностью крепления на раме двигателя, и вращающейся стенкой кольцевой формы, выполненной с возможностью крепления на свободном конце рычага (45α, 45β), который выполнен с возможностью крепления на валу двигателя (16). Следовательно, объем камеры увеличивается посредством увеличения расстояния, проходимого поршнем сжатия.
Для того чтобы сохранить высокое давление в камере расширения как можно дольше, подвижная стенка камеры сгорания и расширения может быть выполнена таким образом, что объем камеры расширения очень медленно возрастет по мере движения поршня расширения. Это возможно, если расстояние между двумя внутренними стенками камеры - внутренней стенкой оболочки и верхней поверхностью движущейся стенки - не постоянно, а эти две поверхности постепенно сходятся (фиг.22).
На фиг.5 позицией 24 обозначена масса, которая была добавлена для уравновешивания поршня расширения. Эта масса может быть заменена другим ведущим рычагом и поршнем расширения, как показано на фиг.23. В этом случае предусмотрены два ведущих рычага (35а, 35β) одинаковой длины, выполненные с возможностью крепления непосредственно к валу (16) двигателя и образующие между собой угол 180°, причем каждый из них снабжен на своем свободном конце поршнем (14) расширения, разделяющим камеру (1) сгорания и расширения на две камеры одинакового объема, при этом каждая из указанных двух камер (1) сгорания и расширения соединена только с одной напорной камерой (3α, 3β)
Наконец, что касается уплотнения, оно может быть обеспечено следующим образом.
На фиг.24 показано уплотнение камеры 2α сжатия. Поршневые кольца 23 поршней выполнены такими же, как в двигателях с поршнями возвратно-поступательного движения. Цилиндрическая поверхность вала двигателя скользит по оболочке камеры сжатия, а уплотнительные кольца препятствуют проникновению масла в камеру сжатия.
На фиг.25 показана камера 1 сгорания и расширения. Поршневые кольца 25 поршней выполнены такими же, как в двигателях с поршнями возвратно-поступательного движения. Цилиндрическая поверхность движущейся стенки скользит по оболочке камеры расширения с помощью масляной смазки.
Вал двигателя, ведущий рычаг и движущаяся стенка выполняются таким образом, что выглядят выполненными со шпонками переменного поперечного сечения, которые взаимодействуют с соответствующими выемками на поршнях и движущейся стенке, препятствуя проскальзыванию элементов относительно друг друга. Таким образом, поршни сжатия заклинены на валу двигателя, а поршень расширения - на движущейся стенке, которая, свою очередь, заклинена на ведущем рычаге. Поперечное сечение шпонок уменьшается по направлению движения, чтобы поддерживать соединение при движении частей.