ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ БЕЗ КОЛЕНВАЛА НА ОСНОВЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использована на транспорте.
Существует большое количество поршневых двигателей внутреннего сгорания повсеместно используемых по 2-х и 4-х тактной схеме. Преобразователем возвратно-поступательного движения поршней во вращательное является кривошипно-шатунный механизм, основным недостатком которого является наличие мертвых точек. Когда происходит взрыв горючей смеси в районе мертвых точек первоначальная максимальная сила давления горячих газов направлена на излом оси коленчатого вала (коленвала), а не на полезное вращение. Во время поворота коленчатого вала за счет кинетической энергии запасенной в маховике установленного на коленчатом валу увеличивается рычаг приложения силы давления газов, но увеличение рычага влечет за собой увеличение объема камеры сгорания, т.е. уменьшение давления газов. Первоначальное давление газов из-за наличия мертвых точек тратится на нагрев корпуса двигателя, а не на полезную работу вращения коленчатого вала. Это ведет к недостаточно эффективной работе и низкой экономичности двигателя.
Известен двигатель внутреннего сгорания без коленвала, в котором поршни соединены попарно зубчатыми рейками передающие возвратно-поступательные движения на зубчатое колесо входного вала устройства преобразования возвратно-вращательного движения во вращательное в одном направлении (патент на изобретение RU №2390675, оп. 27.05.2010 «Устройство для преобразования возвратно-вращательного движения во вращательное в одном направлении» стр.7 фиг.2).
Зубчатая рейка жестко установлена между противоположными поршнями для передачи возвратно-поступательного хода этих поршней. Рейка посредством зубчатой связи с входным зубчатым колесом вызывает на нем возвратно вращательное движение. Внутри устройства преобразования возвратно-вращательного движения во вращательное в одном направлении с помощью конического ресивера и элементов передачи вращения происходит преобразование возвратно-вращательного движения зубчатого колеса во вращательное выходного вала в одном направлении.
К недостаткам двигателя относится наличие зубчатой передачи с присущими этой передаче потерями КПД. Кроме того, отмечается недостаточная компактность конструкции.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является свободнопоршневой (без коленвала) кольцевой двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий торообразную рабочую камеру с поршнями (SU №1733649, оп. 1972 г.)
Необходимость наличия поддерживающих роликов и клинящих элементов для передачи вращения в одном направлении, которые размещены в дуговых рабочих цилиндрах двигателя и занимают полезный объем, который мог бы быть использован для получения большей удельной мощности двигателя, усложняет его конструкцию, снижает надежность двигателя.
Выходной вал не имеет сквозного выхода через торообразный корпус, так как с противоположной стороны расположены синхронизирующие зубчатые колеса, что ведет к невозможности секционирования взаимонезависимых двигателей на едином валу двигателя, а следовательно уменьшается диапазон дискретно отбираемых мощностей.
Кроме того, данный двигатель невозможно использовать в 4-х тактном варианте, что ограничивает функциональные возможности двигателя.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение диапазона дискретно отбираемых мощностей, упрощение конструкции двигателя.
Для решения поставленной задачи двигатель внутреннего сгорания без коленвала, включающий, по меньшей мере, один торообразный корпус, содержащий два и более дуговых цилиндра, внутри которых установлены поршни, согласно полезной модели, снабжен установленным на валу двигателя и жестко взаимосвязанным с корпусом двигателя устройством для преобразования возвратно вращательного движения во вращательное в одном направлении, передающим на выходной вал двигателя вращение в одном направлении, которое содержит входной вал, расположенный на одной оси с выходным валом устройства, промежуточную ось, установленную перпендикулярно указанной оси, элементы сцепления в виде обгонной или храповой муфты, жестко установленные на выходном валу устройства, взаимосвязанные с коническими элементами передачи вращения, выполненные с возможностью взаимно-обратного вращательного движения для передачи выходному валу двигателя вращения в одном направлении, при этом выходной вал устройства является одновременно выходным валом двигателя, а входной вал устройства жестко смонтирован на одном из элементов сцепления, и жестко связан с каждым поршнем двигателя
Поршень выполнен в виде единой монолитной детали.
Поршень может быть выполнен в виде двух полупоршней, жестко соединенных между собой штоковым элементом поршня, жестко взаимосвязанным с входным валом устройства для преобразования возвратно вращательного движения во вращательное в одном направлении.
На фиг.1 представлен двупоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий два дуговых цилиндра (4-х тактный двупоршневой и 2-хтактный двупоршневой), общий вид
На фиг.2. то же, вид сбоку
На фиг.3 представлен четырехпоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий четыре рабочих дуговых цилиндров (4-х тактный четырехпоршневой и 2-х тактный четырехпоршневой), общий вид
На фиг.4 - то же, вид сбоку
На фиг.5 - разрез А-А на фиг.3
На фиг.6 - представлена компоновка двигателя с соосным расположением входного вала устройства и выходного вала двигателя
На фиг.7 - представлена компоновка двигателя с взаимно-перпендикулярным расположением входного вала устройства и выходного вала двигателя.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания может работать как 4-х тактный двухпоршневой (фиг.1, 2), 2-х тактный двухпоршневой (фиг.1, 2), 2-х тактный четырехпоршневой (фиг.3, 4), и 4-х тактный четырехпоршневой двигатель (фиг.3, 4).
Двигатель внутреннего сгорания (далее двигатель), представленный на фиг.1 - четырехтактный двупоршневой - содержит торообразный корпус 1, разделенный на два герметичных дуговых цилиндра 2 и 3, внутри каждого из которых установлены поршни соответственно 4 и 5, жестко соединенные с входным валом 6 устройства 7 для преобразования возвратно-вращательного движения во вращательное в одном направлении.
Устройство 7 размещено на валу двигателя, при этом корпус устройства 7 преобразования движения жестко взаимосвязан с корпусом 1 двигателя, например, выполнен заодно с корпусом двигателя (фиг.5). Возможны варианты, когда корпус устройства 7 жестко взаимосвязан с корпусом 1 двигателя посредством резьбового соединения или сварки.
После преобразования возвратно-вращательного движения от поршней 4 и 5 устройство 7 передает вращение в одном направлении на выходной вал 8 двигателя одновременно являющийся выходным валом устройства 7.
Внутри дуговых цилиндров 2 и 3 поршни 4 и 5 образуют рабочие камеры сгорания - 9, 10, 11, 12, которые снабжены впускным и выпускным каналами (на чертеже не указаны).
Устройство 7 содержит входной вал 6 и выходной вал 8, расположенные на одной общей оси 13, промежуточную ось 14, установленную перпендикулярно указанной общей оси 13, два элемента сцепления 15, 16 в виде обгонной или храповой муфты, жестко установленные на выходном валу 8 устройства с возможностью взаимно-обратного вращательного движения. Элементы сцепления 15, 16 жестко взаимосвязаны с коническими элементами передачи вращения 17, 18, 19, выполненными с возможностью взаимно-обратного вращательного движения для передачи выходному валу двигателя вращения в одном направлении. Элемент передачи вращения 19 выполнен на валу 6.
Входной вал 6 устройства жестко смонтирован на элемент сцепления 16, и жестко связан с каждым поршнем 4 и 5 двигателя.
Выходной вал 8 устройства преобразования 7, одновременно являющийся выходным валом двигателя не имеет жесткой связи со входным валом 6 устройства.
Поршни 4, 5 могут быть выполнены в виде единой монолитной детали (фиг.1).
Возможно выполнение каждого поршня в виде двух полупоршней 4а, 4б и 5а, 5б, жестко соединенных между собой штоковым элементом 20 поршня, который жестко взаимосвязан с входным валом 6 устройства для преобразования возвратно вращательного движения во вращательное в одном направлении (фиг.3).
Компановка двигателя, при которой входной вал 6 устройства 7 и выходной вал 8 двигателя расположены соосно (фиг.6) является наиболее предпочтительной. Но не исключен вариант, когда валы 6 и 8 расположены взаимно-перпендикулярно друг к другу (фиг.7).
Работа 4-х тактного двухпоршневого двигателя осуществляется следующим образом (фиг.1).
1 такт
Жестко скрепленные между собой поршень 4 входной вал 6 и поршень 5 начинают вращение по часовой стрелке, что приводит к разрежению в камере сгорания 10, в которую происходит впрыск горючей смеси. В камере цилиндра 9 происходит такт сжатия ранее впрыснутой в него горючей смеси. В камере цилиндра 11 происходит рабочий ход, т.е. движение поршня 5 под действием горячих газов вспыхнувшей горючей смеси. В камере цилиндра 12 происходит такт выпуска отработанных (сгоревших) газов.
2 такт
После того, как поршень 4 в своем предыдущем такте сжал горючую смесь в рабочей камере 9 в ней происходит возгорание и давление горячих газов заставляет поворачиваться поршень 4 против часовой стрелки увлекая за собой входной вал 6 и поршень 5, который производит всасывание горючей смеси в рабочую камеру 12 и выпуск отработанных газов в рабочей камере 11, а также сжатие поршнем 4 горючей смеси в рабочей камере 10.
3 такт
В рабочей камере 10 происходит возгорание и давление горючих газов начинает давить на поршень 4, поворачивая его по часовой стрелке и выпускать им отработанные газы из рабочей камеры 9. В рабочей камере 11 поршнем 5 происходит всасывание горючей смеси, а в рабочей камере 12 происходит сжатие горючей смеси этим же поршнем.
4 такт
В рабочей камере 12 происходит возгорание горючей смеси и давление газов толкает поршень 5 против часовой стрелки сжимая горючую смесь в рабочей камере 11, Под действием поршня 4 в рабочей камере 9 происходит всасывание горючей смеси, а в рабочей камере 10 происходит выпуск отработанных газов.
Далее все четыре такта повторяются в той же очередности, вызывая возвратно-вращательные движения входного вала 6 устройства 7, где преобразуются на выходной вал двигателя 8 во вращение в одном направлении.
Преобразование в устройстве 7 происходит следующим образом.
Входной вал 6 устройства 7 совершает возвратно-вращательные движения, передавая через конусные поверхности сцепления элемента 19, вращение на конические элементы передачи вращения 18, а они в свою очередь на конический элемент 17. Вращение входного вала 6 устройства и элемента 17 передача вращения происходит в разные стороны, но они жестко установлены на однонаправленных элементах передачи вращения - элементах сцепления 15, 16 (храповые или обгонные муфты), которые внутренней поверхностью установлены на выходной вал 8, передавая на него вращение только в одном направлении.
При предложенной компоновке (фиг.1) заявляемый двигатель можно использовать и как двухтактный двухпоршневой.
В этом случае работа двигателя происходит следующим образом. Жестко скрепленные между собой поршень 4, входной вал 6 и поршень 5 начинают вращение по часовой стрелке, что приводит к разрежению в рабочей камере 10 и впрыск в нее горючей смеси. В камере сгорания 11 происходит возгорание ранее впрыснутой в нее горючей смеси и под действием давления горячих газов поршень 5 сжимает ранее впрыснутую горючую смесь в рабочей камере 12. Поршень 5 в конце своего рабочего хода открывает продувочные каналы. Продувочные каналы - это канал выпуска отработанных газов, соединенный с выхлопной системой и канал впуска горючей смеси, соединенный с рабочей камерой 12, где до этого произошло сжатие.
Таким образом, горючая смесь через канал впуска попадает в рабочую камеру сгорания 11. В это же время происходит процесс сжатия поршнем 4 в камере сгорания 9 горючей смеси предварительно поступившей по каналу впуска из камеры 10. Когда поршень 4 достигнет конечной точки сжатия в камере сгорания 9 происходит зажигание и поршень 4 совершает рабочее движение против часовой стрелки выпуская в своей конечной точке отработанные газы из рабочей камеры сгорания 9 через выпускной канал и впускает в нее через впускной канал из камеры 10 предварительно сжатую этим же поршнем 4 горючую смесь. Далее цикл повторяется.
На фиг.3 представлен вариант компоновки двигателя в котором поршень выполнен из двух полупоршней 4а, 4б и 5а, 5б попарно жестко связанных между собой штоковым элементом поршня 20, который в свою очередь также жестко связан со входным валом 6 устройства преобразования 7. Данный двигатель возможно использовать и в двухтактном и четырехтактном режимах работы.
Для двухтактного варианта торообразный корпус двигателя разделен на шесть герметичных дуговых цилиндров 2а, 2б, 2в, 3а, 4б, 5в, для создания герметичного подпоршневого пространства под всеми четырьмя полупоршнями 4а, 4б, 5а, 5б.
Работа двигателя в 2-х тактном 4-х поршневом варианте (фиг.3) происходит следующим образом:
По сути это два 2-х тактных 2-поршневых двигателя заключенных в одном тороидальном корпусе 1 и выполняющих зеркально-симметричные одинаковые функции: поршень 4а=5б, а поршень 4б=5а. На этом основании представляем работу только одной половины двигателя.
1 такт.
Жестко соединенные между собой полупоршень 4а, штоковый элемент 20, полупоршень 4б и входной вал 6 начинают движение по часовой стрелке. В рабочей камере сгорания 2а происходит сжатие ранее впрыснутой горючей смеси, а в подпоршневом пространстве 2а' происходит разрежение с одновременным всасыванием воздуха и горючих паров. В рабочей камере 2в давление горячих газов толкает полупоршень 4б с одновременным выпуском их через выпускной канал и со впуском через впускной канал свежей горючей смеси сдавленной в подпоршневом пространстве 2в'
2 такт
В рабочей камере 2а происходит вспышка горючей смеси и образовавшиеся газы начинают толкать полупоршень 4а в направлении против часовой стрелки с одновременны выпуском их через выпускной канал и со впуском через впускной канал свежей горючей смеси сдавленной в подпоршневом пространстве 2а'. Полупоршень 4а через штоковый элемент 20 передает полупоршню 4б вращение и полупоршень 4б сдавливает в рабочей камере 2в горючую смесь, а в подпоршневом пространстве 2в' происходит разрежение со входом очередной порции горючей смеси. Далее процесс повторяется.
Работа двигателя внутреннего сгорания (Фиг.3) в 4-х тактном варианте аналогична работе двигателя на фиг.1 с той лишь разницей, что на фиг.1 каждый поршень 4, 5 выполнен в виде единой монолитной детали, а на фиг.3 каждый поршень 4 и 5 выполнен в виде двух полупоршней соответственно 4а, 4б и 5а, 5б, жестко соединенных штоковым элементом 20, который жестко взаимосвязан с входным валом 6 устройства 7. В этом случае отсутствует необходимость в герметичных перегородках корпуса между дуговыми цилиндрами 2а и 2б, 2б и 2в, 3а и 3б, 3б и 3в.
Возвратно-вращательные движения (фиг.1, фиг.2, фиг.3) передаются на входной вал 6 устройства 7, где преобразуются на выходной вал двигателя 8 во вращение в одном направлении.
Преимущества заявляемой полезной модели заключаются в следующем.
1. За счет выполнения выходного вала проходящим сквозь двигатель, появляется возможность установки на этот вал несколько независимо работающих двигателей, тем самым суммируются мощности от двигателей на единый выходной вал, достигается повышение диапазона дискретно отбираемых мощностей. Выходной вал 8 устройства преобразования 7, одновременно являющийся выходным валом двигателя не имеет жесткой связи со входным валом 6 устройства и это позволяет использовать необходимое количество независимых двигателей, что делает возможным подходить гибко к необходимой получаемой мощности путем оперативного включения нужного количества заявляемых двигателей.
При работе работающих двигателей неработающие в этот момент двигатели не оказывают влияния на единый выходной вал двигателя за счет отсутствия жесткой связи входного и выходного вала устройства (не мешают работе двигателя). Двигатели на единой оси могут работать выборочно или вместе.
2. Достигается упрощение конструкции за счет того, что в заявляемом двигателе отсутствует необходимость в поддерживающих роликах, которые вместе с клинящими элементами для передачи вращения в одном направлении в прототипе размещены в дуговых рабочих цилиндрах и занимают полезный объем, который мог бы быть использован для получения большей удельной мощности двигателя. В заявляемом двигателе клинящие элементы для передачи вращения в одном направлении, находящиеся в обгонных муфтах размещены в устройстве преобразования 7.
3. В отличие от прототипа, в котором представлен 2-тактный дизельный двигатель, заявляемый двигатель внутреннего сгорания может быть и 2-х тактным и 4-х тактным, как бензиновым, так или дизельным или мультитопливным.