ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ШАТУННЫМИ ПОРШНЯМИ (ДШП)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH GEAR PISTONS

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может применяться на различном виде транспорта, машинах и оборудования.
ДШП - двигатель внутреннего сгорания с шатунными поршнями, или, более коротко, двигатель с шатунными поршнями.
Известен роторно-поршневой двигатель (см. патент RU №2293848 С2, F01C 1/44, 2007), содержащий торцевые крышки с выемками, ротор с пазами и торцевыми стенками с отверстиями, поршни с фиксирующими и направляющими пальцами, шатуны, кривошипы с осями и шипами, диски с отверстиями, шайбы, в котором качания кривошипов посредством шатунов преобразуются в радиальные перемещения поршневых пальцев, которые, в свою очередь, двигают связанные с ним поршни.
Недостатком указанного двигателя является использование все того же кривошипно-шатунного механизма, у которого низкий КПД преобразования энергии давления газов во вращательный момент вала из-за причины переменной длины плеча (от нуля до размера радиуса кривошипа) силы давления поршня на кривошип вала, т.е. длина плеча силы давления поршня на кривошип вала минимальная при максимальной силе давления газов в начале процесса горения рабочей смеси и максимальная длина при минимальной силе давления газов в конце процесса горения, что является главным недостатком всех кривошипно-шатунных механизмов, используемых для получения крутящего момента.
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции двигателей внутреннего сгорания, уменьшение количества подвижных деталей и узлов, уменьшение массы, устранение вибрации и получение близкой к постоянной максимальной длине плеча силы давления сгораемой рабочей смеси, образующей крутящий момент на валу.
Сущность изобретения двигателя внутреннего сгорания с шатунными поршнями заключается в том, что ротор имеет возможность совершать вращательное движение на валу с установленными по одному между его шлицами четырьмя шатунными поршнями. Шатунные поршни на роторе имеют возможность совершать возвратно-поворотное движение на своих двух цилиндрических поверхностях с разными радиусами из одного центра, между такими же двумя цилиндрическими поверхностями шлицев ротора с разными радиусами из одного центра, расположенными на одинаковом расстоянии от центра ротора, один от другого и вперед с малым радиусом по ходу вращения ротора. Ротор с шатунными поршнями установлен в блок поршней между двумя жестко связанными между собой закрывающей сверху плоской поверхностью, расположенными одна в другой соосно с равными фокусными расстояниями овальными цилиндрическими поверхностями, закрытыми снизу основанием и диском ротора. Блок поршней с ротором установлен и закреплен на основании. В нижней части основания выполнен картер для заливки смазывающего масла. На наружном овальном цилиндре блока поршней выполнено одно отверстие для впуска рабочей среды, второе отверстие для выпуска отработанных газов, третье отверстие выполнено для установки свечи зажигания и для случая установки форсунки впрыска топлива. Наружная поверхность внутреннего овального цилиндра блока поршней выполнена из жестко связанных между собой цилиндром двух овальных цилиндрических поверхностей двух овальных дисков, расположенных на уровне торцевых граней шатунных поршней. Ротор выполнен из жестко и соосно связанных между собой диска, четырех шлицев и вала. Нижний конец вала пропущен через отверстие в центре основания для получения крутящего момента, а верхний конец вала пропущен через отверстие в центре двух овальных дисков блока поршней тоже для получения крутящего момента. В диске ротора выполнены отверстия с лопаткой. Лопатки расположены у отверстий на нижней плоскости диска и наклонены против вращения ротора для нагнетания масла из картера и разбрызгивания между шатунными поршнями, шлицами ротора и овальными дисками и выполнены канавки с отбойником и отверстиями для сбора и стекания масла в картер. Расстояние между внутренними поверхностями наружного овального цилиндра блока поршней по двум сторонам его малой оси выполнено, равным диаметру наружной поверхности шлицев ротора. На наружной поверхности шлицев ротора выполнены предкамеры для прохождения сжатой рабочей среды из камеры сжатия в камеру сгорания и для места воспламенения рабочей среды. Две цилиндрические поверхности шатунного поршня выполнены с одним центром и одним диаметром, равным расстоянию между овальными цилиндрическими поверхностями блока поршней. Изгибы передних наружных овальных поверхностей шатунных поршней выполнены совпадающими с изгибом овала внутренней поверхности наружного овального цилиндра блока поршней от выпускного отверстия до его малой оси по ходу вращения ротора. Высоты шатунных поршней, шлицев ротора и овальных цилиндрических поверхностей блока поршней выполнены равными между собой. Шатунные поршни имеют возможность совершать одновременно возвратно-поворотное движение между двумя цилиндрическими поверхностями шлицев ротора и вращательное движение между внутренней овальной цилиндрической поверхностью наружного овального цилиндра и наружной овальной поверхностью двух овальных дисков блока поршней и при этом каждый шатунный поршень с предыдущим и последующим шатунным поршнем образуют между внутренней поверхностью наружного овального цилиндра блока поршней и наружной цилиндрической поверхностью шлицев ротора четыре переменного объема камеры снаружи ротора, одну камеру впуска, одну камеру сжатия, одну камеру сгорания и одну камеру выпуска отработанных газов, в которых одновременно и последовательно за один оборот вала четырежды происходят все четыре такта рабочего цикла четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, приводящие во вращательное движение ротор с валом.
В другом варианте двигатель внутреннего сгорания с шатунными поршнями отличается тем, что на каждом овальном диске блока поршней выполнены овальные опорные поверхности и на каждой грани шатунных поршней выполнены по одной шпоре с отверстием, в которые установлена одна ось с двумя подшипниками, через которые шатунные поршни, при вращении с ротором, опираются на овальные опорные поверхности двух овальных дисков блока поршней, чем исключается давление центробежных сил от массы вращающихся шатунных поршней на внутреннюю овальную поверхность наружного овального цилиндра блока поршней и трение между ними.
Две овальные цилиндрические поверхности, расположенные одна в другой соосно для блока поршней можно получить обработкой их, заодно, цилиндрической фрезой диаметром, равным диаметру Д цилиндрических поверхностей шатунных поршней, с которыми они при своем перемещении между овальными цилиндрическими поверхностями находятся постоянно и неразрывно в контакте.
Описанный выше двигатель может быть получен в комбинациях с пятью, шестью и т.д. шатунными поршнями и соответственно с пятью, шестью и т.д. шлицами ротора, а также в составе из нескольких блоков поршней и роторов с одним валом.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в простоте конструкции двигателя, в уменьшении количества подвижных деталей и узлов, в устранении вибрации и шума вследствие совершения противоположно расположенными шатунными поршнями одновременного разнонаправленного возвратно-поворотного движения в блоке поршней и в получении длины плеча силы давления сгораемых газов, близкой к постоянной максимальной длине плеча давления газов, создающих крутящий момент на валу через шатунные поршни.
Устройство и работа двигателя с четырьмя шатунными поршнями поясняется на чертежах фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 с вращением вала против часовой стрелки.
Блок поршней 1 состоит из двух жестко связанных между собой закрывающей их сверху плоской поверхностью 2, расположенных одна в другой соосно, с равными фокусными расстояниями, овальных цилиндрических поверхностей 3 и 4, закрытых снизу основанием 5 и диском 6 ротора 7. На наружном овальном цилиндре блока поршней 8 выполнено одно отверстие 9 для впуска рабочей среды (рабочей смеси или воздуха), второе отверстие 10 для выпуска отработанных газов, третье отверстие 11 для установки свечи зажигания и для случая установки форсунки впрыска топлива. Наружная поверхность 4 внутреннего овального цилиндра выполнена из жестко связанных между собой цилиндром 12 двух наружных овальных цилиндрических поверхностей 4 двух овальных дисков 13 и 14, расположенных на уровне торцевых граней 15 и 16 шатунных поршней 17. Блок поршней 1 установлен и закреплен на основании 5. В основании выполнен картер 18 для заливки смазывающего масла. В блок поршней установлен ротор 7 с шатунными поршнями 17, у которого нижний конец вала 19, пропущен через отверстие 20 в центре основания 5 для получения крутящего момента, а верхний конец пропущен вверх через отверстие 21 в центре двух овальных дисков 13 и 14 тоже для получения крутящего момента. К верхнему концу вала возможно присоединение генератора, распределителя подачи искры на свечу зажигания или распределителя подачи топлива на форсунку или такого же двигателя для совместной работы или иного другого устройства. На роторе 7 между его шлицами 22 установлены четыре шатунных поршня 17, которые могут совершать возвратно-поворотное движение между двумя цилиндрическими поверхностями 23 и 24 шлицев ротора с разными радиусами R1 и R2 с одним центром, которые расположены на одинаковом расстоянии от центра ротора, на одинаковом расстоянии друг от друга. Шатунные поршни между шлицами ротора установлены по одному вперед с малым радиусом R1 по ходу вращения ротора. Высота Н шлицев ротор фиг. 1, высота овальных цилиндрических поверхностей блока поршней и высота шатунных поршней выполнены равными между собой. Расстояние между внутренними поверхностями наружного овального цилиндра блока поршней 3 по двум сторонам его малой оси выполнены равными диаметру 25 наружной поверхности 27 шлицев ротора. На наружной поверхности 27 шлицев 22 ротора выполнены предкамеры 28 для прохождения сжатой рабочей среды из камеры сжатия 41 в камеру сгорания 42 и для места воспламенения рабочей среды. В диске 6 ротора выполнены отверстия 29 с лопатками 30. Лопатки расположены у отверстий на нижней плоскости диска ротора и наклонены против вращения ротора для нагнетания масла из картера и разбрызгивания между шатунными поршнями, шлицами ротора и овальными дисками и на диске ротора выполнены канавки 32 с отбойником 33 и отверстиями 31 для сбора и стекания масла в картер. Шатунный поршень имеет две цилиндрические поверхности 34 и 35 с разными радиусами R1 и R2 с одним центром, на которых он имеет возможность совершать возвратно-поворотное движение между шлицами 22 ротора 7. Цилиндрическая поверхность 35 с радиусом R2 - задняя цилиндрическая поверхность шатунного поршня, воспринимающая давление газов от сгорания рабочей смеси. Кривизна передней наружной овальной поверхности 36 шатунного поршня выполнена совпадающей с кривизной овала внутренней поверхности 3 наружного овального цилиндра 8 блока поршней 1 от выпускного отверстия 10 до его малой оси по ходу вращения ротора. Две цилиндрические поверхности 38 и 39 шатунного поршня выполнены с одним центром и одним диаметром Д, равным расстоянию между овальными цилиндрическими поверхностями 3 и 4 блока поршней, с которыми шатунные поршни при движении находятся непрерывно в контакте.
(
На фиг. 4 и фиг. 5 на каждом овальном диске 13 и 14 блока поршней выполнены овальные опорные поверхности 44 и 45 и на каждой грани 15 и 16 шатунных поршней выполнены по одной шпоре 46 с отверстием 47. В отверстия двух шпор установлена одна ось 48 с двумя подшипниками 49, через которые шатунные поршни, при вращении с ротором, опираются на овальную опорную поверхность двух овальных дисков блока поршней, что исключает давление центробежных сил от массы вращающихся шатунных поршней на внутреннюю овальную поверхность наружного овального цилиндра блока поршней и соответственно исключает трение между ними.
Овальную опорную поверхность овальных дисков можно получить, перемещая между двумя овальными цилиндрическими поверхностями блока поршней установленный на роторе инструмент с размерами, равными размерам шатунного поршня со шпорами с установленным вместо подшипника вращающейся цилиндрической фрезы с наружным диаметром, равным наружному диаметру подшипника.
Предлагаемый ДШП может быть выполнен по схеме бензинового с воспламенением рабочей смеси от искры свечи зажигания или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания через форсунку для воспламенения от сжатого воздуха.
ДШП работает следующим образом. Ротор 7 с установленными в нем шатунными поршнями 17 помещен в блок поршней и нижний конец вала пропущен через отверстие 20 центре основания 5, а верхний конец пропущен вверх через отверстие 21 в центре двух овальных дисков. Шатунные поршни находятся в непрерывном контакте с обеими овальными цилиндрическими поверхностями 3 и 4 и имеют возможность совершать одновременно возвратно-поворотное движение между двумя цилиндрическими поверхностями 23 и 24 шлицев 22 ротора и вращательное движение с ротором между двумя овальными цилиндрическими поверхностями 3 и 4 блока поршней и при этом каждый шатунный поршень с последующим и предыдущим шатунным поршнем образуют между внутренней поверхностью наружного овального цилиндра блока поршней и наружной цилиндрической поверхностью шлицев ротора четыре переменного объема камеры 40, 41, 42 и 43 снаружи ротора. В отверстия 11 устанавливается свеча зажигания или форсунка для подачи топлива. Заводим двигатель, при этом исходное положение ротора может быть любым. При вращении ротора один из шатунных поршней 17 проходит впускное отверстие 9 и за своей задней цилиндрической поверхностью 35 образует увеличивающийся в объеме по ходу вращения всасывающую камеру 40, куда поступает рабочая среда (рабочая смесь или воздух). При дальнейшем вращении ротора следующий шатунный поршень проходит впускное отверстие 9 и отсекает от него поступившую рабочую среду (рабочую смесь или воздух) и одновременно за собой образует следующую впускную камеру. Предыдущая камера, после поступления максимального объема рабочей среды, преобразуется в уменьшающуюся в объеме камеру сжатия 41, где рабочая среда сжимается до объема предкамеры 28 и проходит с предкамерой в следующую образовавшуюся и увеличивающуюся в объеме, по ходу вращения ротора, камеру сгорания 42, где сжатая рабочая среда сжигается посредством свечи зажигания или в сжатый воздух подают впрыском топливо через форсунку и полученная рабочая среда сгорает, образуя давление. Давление сгораемых газов оказывает действие на задние цилиндрические поверхности 35 шатунных поршней, которые в свою очередь действуют на ротор 7, вращая его вместе с валом 19. Если все в порядке, то двигатель завелся и дальше ротор с валом вращаются самостоятельно. После передачи максимально возможного крутящего момента на вал шатунный поршень проходит выпускное отверстие 10 и камера сгорания 42 преобразуется в уменьшающуюся в объеме камеру выпуска 43 отработанных газов. При дальнейшем вращении ротора последующий шатунный поршень, при уменьшении объема выпускной камеры 43, вытесняет отработанные газы наружу через выпускное отверстие 10. Дальше снова повторяется процесс впуска рабочей среды между двумя шатунными поршнями и, таким образом, между четырьмя шатунными поршнями происходят четыре такта впуска, четыре такта сжатия, четыре такта сгорания рабочей среды и четыре такта выпуска отработанных газов за один оборот вала, которые приводят во вращательное движение ротор 7 и жестко связанный с ним вал 19. При вращении ротора масло из картера 18 захватывается лопатками 30 и подается для смазки трущихся поверхностей шатунных поршней, ротора и овальных дисков. На фиг. 4 и фиг. 5 шатунные поршни 17 при вращении с ротором опираются через подшипники 49 на овальную опорную поверхность 44 и 45 овальных дисков 13 и 14 блока поршней, чем исключается воздействие центробежной силы от массы вращающихся шатунных поршней на внутреннюю овальную поверхность 3 наружного овального цилиндра блока поршней 8 и соответственно исключается трение между ними и их износ.
Принятые обозначения на чертежах:
1 - блок поршней
2 - плоская поверхность блока поршней
3 - внутренняя овальная цилиндрическая поверхность блока поршней
4 - наружная овальная цилиндрическая поверхность овальных дисков блока
поршней
5 - основание двигателя
6 - диск ротора
7 - ротор
8 - наружный овальный цилиндр блока поршней
9 - впускное отверстие
10 - выпускное отверстие
11 - отверстия для установки свечи зажигания и форсунки
12 - цилиндр, жестко связывающий два овальных диска блока поршней
13 и 14 - два овальных диска блока поршней
15 и 16 - две торцевые грани шатунных поршней
17 - шатунный поршень
18 - картер
19 - вал ротора
20 - отверстие в центре основания
21 - отверстие в центре блока поршней
22 - шлицы ротора
23 и 24 - цилиндрические поверхности шлицев ротора с радиусами R1 и R2
25 - наружный диаметр шлицев ротора
26 - внутренний диаметр шлицев ротора
27 - наружная поверхность шлицев ротора
28 - предкамера шатунного поршня
29 - отверстие с лопаткой в диске ротора
30 - лопатка отверстия
31 - отверстия для стока масла
32 - канавка в диске ротора
33 - отбойник канавки
34 и 35 - передняя и задняя цилиндрическая поверхности шатунного поршня
36 - передняя наружная овальная поверхность шатунного поршня
37 - внутренняя поверхность шлицев ротора
38 и 39 - цилиндрические поверхности шатунного поршня с одним центром и с одним диаметром Д
40 - камера впуска
41 - камера сжатия
42 - камера сгорания
43 - камера выпуска
44 и 45 - овальные опорные поверхности овальных дисков
46 - шпоры шатунного поршня
47 - отверстия на шпоре шатунного поршня
48 - ось подшипников
49 - подшипники