Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Двигатель, предназначен для преобразования тепловой энергии в механическую, содержит системы: питания, охлаждения, смазки и регулятор степени сжатия, а также возвратно-поступательный и газораспределительный механизмы. Двигатель выполнен в виде группы цилиндров, расположенных вокруг цилиндрического корпуса параллельно оси роторного вала, находящегося в центре и снабженного цилиндрическим ротором с беговыми дорожками. Все цилиндры двигателя содержат по две камеры сгорания - запальную и форсажную кольцевую, причем кольцевые камеры выполнены с возможностью их полного перекрытия от полостей цилиндров поршнями двигателя при подходе к ВМТ. Впускные окна во всех цилиндрах ДВС расположены в нижних точках и оборудованы впускными клапанами. Степень сжатия, необходимая для работы ДВС, обеспечивается регулятором в зависимости от применяемого вида топлива путем изменения объемов кольцевых форсажных камер сгорания с помощью цилиндров корректировки степени сжатия, сообщенных с гильзами цилиндров ДВС через кольцевые камеры сгорания. Регулятор степени сжатия выполнен в виде корректировочных цилиндров, сообщенных с цилиндрами двигателя через кольцевые форкамеры, корректировочных поршней, установленных с возможностью изменения объемов кольцевых форкамер, шатунов, шарнирно связанных верхними головками с поршнями корректировки степени сжатия, а нижними головками, через шарнирные соединения, - со ступицами червячного колеса, приводимого в действие червячным винтом. Изобретение обеспечивает плавность работы двигателя, качественное заполнение цилиндров горючей смесью, а также увеличивает надежность возвратно-поступательного механизма и упрощает конструкцию ДВС. Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. За прототип предложенного двигателя принят двигатель внутреннего сгорания, известный по патенту Российской Федерации на изобретение RU 2095597, МПК 6 F02В 75/26, 75/04, F02D 15/04 от 10.10.1997 г.
Признаками, характеризующими прототип, являются:
*
1 блок двигателя цилиндрической формы;
*
2 роторный вал;
*
3 два ротора дискообразной формы;
*
4 цилиндры, расположенные по окружности внутри блока параллельно оси роторного вала, содержащие:
*
4а камеры сгорания,
*
4б впускные окна, расположенные по центру цилиндров,
*
4в перепускные окна,
*
5 поршни;
*
6 компрессионные кольца;
*
7 устройство для приготовления топливно-воздушной смеси вне цилиндров;
*
8 система охлаждения;
*
9 регулятор степени сжатия, содержащий:
*
9а перепускные каналы, сообщенные с цилиндрами,
*
9б перепускные золотники,
*
9в штоки перепускных золотников,
*
9г шестерни корректировки степени сжатия,
*
9д коронную шестерню,
*
9е червячный винт.
Принятый за прототип двигатель обладает следующими недостатками:
1. Большие нагрузки на узлы возвратно-поступательного механизма в момент начала рабочего хода из-за мгновенного сгорания всей порции топливно-воздушной смеси в верхней мертвой точке цилиндра.
2. Плохое заполнение цилиндров горючей смесью, т.к. впускные окна открываются на очень короткий промежуток времени.
3. Сложность конструкции регулятора степени сжатия.
Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. создание мощного экономичного ДВС с упрощенной надежной конструкцией регулятора степени сжатия, обеспечивающего плавные равномерные нагрузки на узлы возвратно-поступательного механизма при работе на различных видах топлива. Эта цель достигается тем, что в известном двигателе по патенту РФ от 10.10.1997 г. RU 2095597, МПК 6 F02В 75/26, F02D 15/04, 7 F02В 75/26, регулятор степени сжатия заменяется на регулятор, выполненный в виде корректировочных цилиндров, сообщенных с цилиндрами двигателя через кольцевые форкамеры корректировочных поршней, установленных с возможностью изменения объемов кольцевых форкамер, шатунов, шарнирно связанных верхними головками с корректировочными поршнями, а нижними головками, через шарнирные соединения, - со ступицами червячного колеса, приводимого в действие червячным винтом. Каждый цилиндр двигателя содержит две камеры сгорания: запальную, расположенную в головке цилиндра, и форсажную кольцевую, выполненную в виде кольцевой проточки в верхней части гильзы цилиндра вблизи ВМТ. Поршни цилиндров обеспечивают полное перекрытие кольцевых форкамер цилиндров ДВС при подходе к верхней мертвой точке. Впускные окна во всех цилиндрах двигателя расположены в нижних точках и оборудованы впускными клапанами.
Признаками, характеризующими заявленный двигатель внутреннего сгорания, являются:
*
1 блок ДВС цилиндрической формы;
*
2 роторный вал;
*
3 ротор цилиндрической формы, опоясанный синусоидными дорожками;
4 цилиндры, расположенные по окружности на боковой поверхности цилиндрического блока параллельно оси роторного вала, содержащие:
*
4а запальные камеры сгорания в головках цилиндров,
*
4б форсажные камеры сгорания, выполненные в виде кольцевых проточек в гильзах цилиндров вблизи головок,
*
4в впускные окна с впускными клапанами, расположенные в нижних точках цилиндров,
*
4г перепускные окна, расположенные выше выпускных окон;
*
4д выпускные окна;
*
5 поршни цилиндров ДВС содержат перепускные окна и обеспечивают полное перекрытие форсажных кольцевых камер вблизи ВМТ;
*
6 поршневые кольца;
*
7 система питания обеспечивает приготовление различных видов топливно-воздушной смеси (бензин, керосин, дизтопливо и т.д.) вне цилиндров ДВС.
*
8 система охлаждения воздушная;
*
9 регулятор степени сжатия выполняет функцию системы зажигания, обеспечивает воспламенение различных видов топливно-воздушной смеси, приготовленной вне цилиндров от сжатия, содержащий:
*
9а корректировочные цилиндры, сообщенные через кольцевые форкамеры с цилиндрами ДВС;
*
9б поршни корректировки степени сжатия;
*
9в поршневые кольца;
*
9г шатуны привода поршней корректировки;
*
9д поршневой шарнир (палец);
*
9е шарнир ступицы червячного колеса;
*
9ж червячное колесо;
*
9з червячный винт;
*
9и втулка червячного колеса.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Признаки 1, 2, 4, 4а, 6, 7, 8, 9, 9ж, 9з, общие с признаками прототипа. Признаки 3, 4, 4б, 4в, 5, 9а, 9б, 9в, 9г, 9д, 9е, 9и являются новыми отличительными, так как использование именно этих признаков позволяет достичь поставленную цель.
На фиг.1 изображен общий вид двигателя.
На фиг.2 изображен продольный разрез двигателя, левая группа поршней в ВМТ, а правая группа в НМТ.
На фиг.3 изображена кинематическая схема продольного разреза двигателя, сжатие горючей смеси над поршнями левой группы цилиндров и рабочий ход поршней правой группы цилиндров.
На фиг.4 изображен поперечный разрез А-А - фиг.2 при максимальной степени сжатия во всех цилиндрах двигателя. На фиг.5 изображена кинематическая схема поперечного разреза А-А фиг.2 при минимальной степени сжатия во всех цилиндрах двигателя.
На фиг.6 изображен продольный разрез крепления соосных пар цилиндров к блоку двигателя в сборе с поршнями, штоками и цилиндрами.
На фиг.7 изображен поршень регулятора степени сжатия в сборе с шатуном и соединительными шарнирами.
На фиг.8 изображен продольный разрез разъемного цилиндрического блока двигателя в сборе с роторным валом, ротором, возвратно-поступательной муфтой, регулятором степени сжатия и маховиком.
На фиг.9 изображен общий вид разъемного цилиндрического блока двигателя в сборе.
На фиг.9а изображен вид А фиг.9.
На фиг.9б изображен вид сверху фиг.9.
На фиг.10 изображена правая часть разъемного блока двигателя.
На фиг.10а изображен вид А фиг.10.
На фиг.10б изображен продольный разрез фиг.10.
На фиг.11 изображена левая часть разъемного блока двигателя.
На фиг.11а изображен вид Б фиг.11.
На фиг.11б изображено сечение А-А фиг.11.
На фиг.11в изображен продольный разрез фиг 11.
На фиг.12 изображен вид спереди возвратно-поступательной муфты.
На фиг.12а изображен вид А фиг.12.
На фиг.13 изображен ротор цилиндрической формы, опоясанный двумя рядами синусоидных дорожек под шаровые подшипники возвратно-поступательной муфты.
На фиг.13а изображен вид А фиг.13.
На фиг.13б изображен продольный разрез фиг.13.
На фиг.14 изображен роторный вал двигателя.
На фиг.15 изображен поршневой шток.
На фиг.15а изображен разрез А-А фиг.15.
На фиг.16 изображен кронштейн крепления соосных пар цилиндров ДВС.
На фиг.16а изображен вид А фиг.16.
На фиг.16б изображен вид сверху фиг.16.
На фиг.17 изображен кожух поршневых штоков.
На фиг.17а изображен разрез А-А фиг.17.
На фиг.18 изображен цилиндр ДВС в сборе с цилиндром регулятора степени сжатия.
На фиг.18а изображен вид А фиг.18.
На фиг.18б изображен продольный разрез фиг.18.
На фиг.19 изображено червячное колесо со ступицей.
На фиг.19а изображен вид А фиг.19.
На фиг.19б изображен продольный разрез фиг.19.
На фиг.20 изображен червячный винт.
На фиг.20а изображен вид Б фиг.20. Двигатель состоит из возвратно-поступательного и газораспределительного механизмов, систем питания, охлаждения, смазки регулятора степени сжатия. Возвратно-поступательный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала. Он состоит из подвижных и неподвижных деталей. К подвижным деталям относятся (см. фиг.2, 3, 6, 8): поршни 3, 4, поршневые кольца 5, штоки поршней 6, возвратно-поступательная муфта 7, шаровые подшипники 8, а также роторный вал 9 с напрессованным на него ротором 10. К неподвижным деталям относится блок двигателя 1-2 (см. фиг.1, 2, 9), представляющий собой разъемный корпус цилиндрической формы, состоящий из двух частей - левой 1 и правой 2 (см. фиг.10, 11), соединенных между собой с помощью резьбовых соединений 39 (см. фиг.9). В правой части блока (см. фиг 10) имеются вырезы 11 под толкатели 12 кольцевой возвратно-поступательной муфты 7 (см. фиг.2, 8). По всей длине внутренней части блока 1-2 выполнены направляющие пазы 13 (см. фиг.2, 8, 10, 11) под форму и размеры ползунов 40, кольцевой возвратно-поступательной муфты 7 (см. фиг.12а). По центру глухих торцевых крышек разъемного цилиндрического блока 1-2 размещены спаренные подшипники 14, 15 роторного вала 9 (см. фиг.2, 8, 10, 11). На боковой поверхности, снаружи, блок двигателя 1-2 имеет продольные площадки 41 (см. фиг.9) для крепления кронштейнов 16 (см. фиг 2, 16) с соосными парами цилиндров ДВС 17, 18. Блок двигателя 1-2 является остовом, внутри и снаружи него размещены различные узлы и механизмы (см. фиг.1, 2, 3, 4, 5, 8):
а) внутри блока роторный вал 9, ротор 10, шаровые подшипники 8, кольцевая возвратно-поступательная муфта 7, а также подшипники роторного вала 14, 15;
б) снаружи блока кронштейны 16, с соосными парами цилиндров 17, 18 (см. фиг.2, 6, 8, 16).
Поршневые штоки выполняют следующие функции (см. фиг.2, 6, 15):
1 Служат для соединения соосных поршней 3, 4 через шарнирные соединения 20 левой 17 и правой 18 групп цилиндров.
2. Обеспечивают связь соосных поршней 3, 4 через шарнирные соединения 20, 51 с толкателями 12 возвратно-поступательной муфты 7 (см. фиг.2, 6, 8), а через втулки скольжения 21 с корпусами кронштейнов 16 крепления соосных пар цилиндров 17, 18 (см. фиг.2, 6, 16).
3. Передают усилия от поршней 3, 4 через шарнирные соединения 20, 51 толкателям 12 муфты 7 и обратно (см. фиг.2, 6, 8).
Роторный вал 9 (см. фиг.2, 8, 14) воспринимает крутящий момент от ротора 10 и передает его трансмиссии транспортного средства. От него также приводятся в действие различные механизмы двигателя (газораспределительный механизм и т.д.). Ротор 10 (см. фиг.2, 8, 13) через ряды синусоидных дорожек 22 воспринимает усилия от шаровых подшипников 8 и передает эти усилия роторному валу 9 (см. фиг.14). Ротор 10 (см. фиг.13) имеет цилиндрическую форму, по окружности опоясан несколькими рядами дорожек 22, соответствует профилю шаровых подшипников 8, а глубина дорожек 22 равна радиусу шаров 8 (см. фиг.2, 8). Возвратно-поступательная муфта 7 (см. фиг.2, 8, 12) через ряды продольных отверстий 23 с вкладышами 24 и стопорными винтами 25 обеспечивает прямолинейное (вдоль оси вала) движение шаровых подшипников 8, а также передает им и воспринимает от них различного рода усилия, возникающие в процессе работы и запуска двигателя. Корпус муфты 7 (см. фиг.12) имеет кольцевую форму с несколькими рядами продольных отверстий 23. Число отверстий в каждом продольном ряду муфты 7 соответствует количеству дорожек 22 ротора 10, а число продольных рядов соответствует числу верхних мертвых точек одного из поршней 3, 4 правой или левой группы цилиндров 17, 18 за один оборот роторного вала 9. На боковой части муфты 7 (см. фиг.12) имеются толкатели 12, обеспечивающие связь муфты, через шарнирные соединения 51, 20 (см. фиг.2, 6, 8), с поршневыми штоками 6. Число толкателей 12 соответствует количеству соосных пар цилиндров 17, 18 двигателя. Снаружи муфты 7 (см. фиг.12, 12а), вдоль ее корпуса расположены ползуны 40, входящие в зацепление с направляющими пазами 13 находящимися внутри блока ДВС (см. фиг.2, 8, 12). Ползуны 40 и пазы 13 обеспечивают прямолинейное движение муфты 7 в процессе запуска и работы двигателя. Внутри кольцевой части муфты 7 (см. фиг.2, 8, 12, 12а) имеется гнездо 42 под роторный вал 9 и ротор 10. Шаровые подшипники 8 (см. фиг.2, 8) предназначены для передачи усилий возникающих в процессе работы и запуска двигателя, между продольными отверстиями 23 муфты 7 и дорожками 22 ротора 10. Шаровые подшипники 14, 15 (радиальные и аксиальные)(см. фиг.2, 8) используются для крепления роторного вала 9 внутри блока двигателя. Газораспределительный механизм включает в себя (см. фиг.2, 6) роторный вал 9, ротор 10, шаровые подшипники 8, возвратно-поступательную муфту 7, шарниры 20, 51, поршневые штоки 6, поршни 3, 4, впускные клапаны 26 и выпускные окна 27, а также перепускные каналы 28. Система охлаждения воздушная. Регулятор степени сжатия предназначен для воспламенения различных видов топливно-воздушной смеси, приготовленной вне цилиндров, от сжатия этих смесей в цилиндрах ДВС и включает в себя: червячный винт 37, червячное колесо 36 со ступицей, шарниры 35, шатуны 34, поршневые пальцы 33, поршни 32 корректировки степени сжатия, поршневые кольца, цилиндры 31 корректировки степени сжатия. Червячный винт 37 служит для привода механизма регулировки степени сжатия и находится в зацеплении с червячным колесом 36, образуя червячную пару. Червячная пара за счет самоторможения обеспечивает фиксацию корректировочных поршней 32 в нужном положении - по окончании корректировки степени сжатия в соответствии с применяемым видом топлива. Шатуны 34 предназначены для преобразования дугообразных движений ступицы червячного колеса 36 в возвратно-поступательные движения поршней 32 корректировки степени сжатия, а также обеспечивают кинематическую связь ступицы червячного колеса 36, через шарнирные соединения 33, 35, с поршнями 32 корректировки степени сжатия. Необходимая степень сжатия в цилиндрах двигателя устанавливается следующим образом: вращением червячного винта 37 по часовой стрелке, будет приведено в действие червячное колесо 36 со ступицей, которое через кинематические связи обеспечит одновременное движение всех корректировочных поршней 32 ДВС к ВМТ и, наоборот, вращением червячного винта 37 против часовой стрелки все корректировочные поршни 32 начнут одновременно двигаться в сторону НМТ. Максимальная степень сжатия в цилиндрах ДВС будет достигнута при нахождении корректировочных поршней 32 в ВМТ, а минимальная степень сжатия при нахождении поршней 32 корректировки степени сжатия в НМТ.
Предлагаемый двигатель работает следующим образом: рабочий цикл протекает за два такта "впуск - сжатие" и "рабочий ход - выпуск". Такт "впуск - сжатие" (см. фиг.1, 2, 3 - в момент пуска двигателя стартером, через зубчатый венец маховика 43, подшипники 8. двигаясь по синусоидным дорожкам 22 ротора 10, начинают передвигать возвратно-поступательную муфту 7 вдоль оси роторного вала 9, предположительно в правую сторону вместе с поршнями левой 17 и правой 18 групп цилиндров, так как муфта 7, через толкатели 12 и шарнирные соединения 51, связана со всеми поршневыми штоками 6. В правой группе цилиндров под поршнями 3 происходит разряжение, в результате чего в момент открытия впускных клапанов 26 рабочая смесь из карбюратора 44, через впускной коллектор 45, поступает в нижние части цилиндров, а над поршнями 3 происходит сжатие рабочей смеси до ВМТ, так как выпускные окна 27 и перепускные каналы 28 в это время закрыты. Такт "рабочий ход - выпуск" фиг.1, 2, 3 - в момент начала сжатия рабочей смеси одновременно с перемещением поршней 3 цилиндров 18 от НМТ к ВМТ происходит корректировка степени сжатия в этих цилиндрах в сторону увеличения, путем вращения червячного винта 37 по часовой стрелке, который через кинематические связи перемещает корректировочные поршни 32 от НМТ в сторону ВМТ в корректировочных цилиндрах 31, тем самым уменьшая объемы кольцевых форкамер сгорания 30 цилиндров 18 ДВС и увеличивая за счет этого степень сжатия. Не доходя до верхней мертвой точки, поршни 3 ДВС боковыми частями отсекают форсажные кольцевые камеры сгорания 30, заполненные горючей смесью, от верхней запальной камеры сгорания 29 и, продолжая движение к ВМТ, дожимают оставшуюся часть топливно-воздушной смеси между днищами поршней 3 и головками цилиндров. Корректировка закончится в тот момент, когда в запальных камерах ДВС начнется управляемый процесс самовоспламенения топливно-воздушной смеси и двигатель запускается. Для каждого вида топлива необходима индивидуальная корректировка степени сжатия. Образовавшиеся в результате воспламенения горючей смеси в запальной камере сгорания 29 газы, воздействуя на поршни 3 правой группы цилиндров 18, перемещают их влево к НМТ, постепенно открывая кольцевые форсажные камеры сгорания 30, обеспечивая при этом плавное сгорание горючей смеси находившейся в кольцевых форкамерах 30, перемещая в том же направлении через поршневые штоки 6 шарниры 51, толкатели 12 и возвратно-поступательную муфту 7, которая, воздействуя своими гнездами 23 на шаровые подшипники 8, перекатывает их прямолинейно по синусоидным дорожкам ротора 22 от вершин к нижним точкам синусоид, тем самым преобразуя прямолинейное движение муфты 7 во вращательное движение ротора 10. Не доходя до нижней мертвой точки, поршни 3 открывают выпускные окна 27, и происходит выпуск отработанных газов через выпускной трубопровод 46 и выпускной коллектор 47 в атмосферу. Опускаясь ниже, поршни 3 открывают перепускные каналы 28 и сжатая с помощью ступицы 48 под поршнями 3 рабочая смесь поступает в верхние части цилиндров 18 (см. фиг.1, 2, 3). Левая группа цилиндров 17 работает аналогичным образом - за тактом "рабочий ход-выпуск" правой группы цилиндров 18 следует такт "рабочий ход-выпуск" левой группы цилиндров 17 (см. фиг.2, 3). Регулятор степени сжатия обеспечивает плавную работу двигателя на различных видах топливно-воздушной смеси приготовленных вне цилиндров, без системы зажигания в соответствии с порядком и режимом работы двигателя. Обозначив правую группу цилиндров 18 цифрой 1, а левую группу цилиндров 17 цифрой 2, получим порядок работы предложенного всеядного двигателя: 1-2.