ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в автомобильном моторостроении.
Известен двигатель внутреннего сгорания Скрипова, который содержит корпус с перегородкой, поршни, заслонки, ось, всасывающую камеру, компрессорную камеру, камеру сгорания, выхлопную камеру, перепускные коллекторы, клапаны, форсунку и свечу зажигания. Корпус выполнен в виде неподвижного моноблока, перегородка образована стенками впускного коллектора и перепускной камеры, а рабочие полости выполнены цилиндрической формы. Поршни выполнены в виде цилиндров и связаны стержнем. Имеется кривошипная камера, внутри которой установлен кривошипный механизм. В первый ход поршней верхний поршень под действием давления горящего в камере сгорания топлива совершает рабочий ход и идет вниз. В это время под верхним поршнем в первой компрессорной камере имеется воздух, который сжимается, при достижении определенного давления при закрытом клапане между впускным коллектором и первой компрессорной камерой открывает клапан между первой компрессорной камерой и перепускным коллектором и перетекает в перепускной коллектор. В первый ход поршней при движении вниз нижний поршень создает разрежение над нижним поршнем во второй компрессорной камере. Во вторую компрессорную камеру через клапан между впускным коллектором и второй компрессорной камерой засасывается воздух из впускного коллектора при закрытом клапане между второй компрессорной камерой и перепускным коллектором. При первом ходе поршней одновременно происходят рабочий ход верхнего поршня, вытеснение воздуха из первой компрессорной камеры в перепускной коллектор, впуск воздуха в камеру сгорания из перепускного коллектора и вытеснение воздуха из кривошипной камеры в перепускной коллектор. Когда верхний поршень открывает выпускное отверстие камеры сгорания, давление в камере сгорания резко падает, открывается клапан из перепускного коллектора в камеру сгорания и благодаря избыточному давлению воздух из перепускного коллектора перетекает в камеру сгорания, продувая камеру сгорания от отработавших газов. Во второй ход поршней верхний поршень и нижний поршень следуют вверх. Над нижним поршнем во второй компрессорной камере повышается давление, закрывается клапан между впускным коллектором и второй компрессорной камерой, открывается клапан между второй компрессорной камерой и перепускным коллектором, находящийся над нижним поршнем во второй компрессорной камере воздух выжимается в перепускной коллектор. В это же время во второй ход поршней подается воздух из впускного коллектора в первую компрессорную камеру под верхним поршнем через клапан между впускным коллектором и первой компрессорной камерой при закрытом клапане между впускным коллектором и второй компрессорной камерой. Во второй ход поршней при движении поршней вверх в камере сгорания верхний поршень повышает давление. При этом за счет открытия клапана, находящегося между перепускным коллектором и камерой сгорания, давление в камере сгорания становится таким же, как в перепускном коллекторе. Именно тогда через форсунку происходят впрыскивание топлива в камеру сгорания и поджигание распыленного топлива с помощью свечи зажигания. Из-за резкого повышения давления горящего топлива в камере сгорания клапан между перепускным коллектором и камерой сгорания закрывается. Верхний поршень под действием давления продуктов сгорания топлива в камере сгорания вместе с соединительным элементом и вторым поршнем начинает повторять первый рабочий ход и идет вниз. Далее цикл повторяется (Александров М. И все-таки он заработал / М.Александров // Энергия - ENERGY. - 1999. - №6. - С.38-39).
Недостатками описанного двигателя внутреннего сгорания являются: низкий коэффициент полезного действия из-за затрат энергии на возвратно-поступательное перемещение деталей кулачкового и кривошипного механизмов и вращение коленчатого вала; малая мощность двигателя из-за отсутствия возможности подачи должного количества воздуха и топлива в камеру сгорания в момент высокого давления в ней; значительный вес двигателя, обусловленный кривошипным механизмом и коленчатым валом с большим количеством подшипников.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием полости между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью оси, перегородку, роторные поршни, заслонки, перепускные коллекторы с клапанами, установленными в корпусе между рабочими полостями, форсунку и свечу зажигания. Полость корпуса разделена перегородкой на первую и вторую рабочие полости тороидальной формы. Каждая из заслонок установлена в прорези цилиндрического корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри своей рабочей полости для разделения и сообщения камер. Первым роторным поршнем, соединенным с осью, и заслонкой в выдвинутом положении первая рабочая полость разделена на камеру сгорания и выхлопную камеру. Вторым роторным поршнем, соединенным с осью, и другой заслонкой в выдвинутом положении вторая рабочая полость разделена на всасывающую камеру и компрессорную камеру. Каждая утопленная в прорези корпуса заслонка приводит к сообщению камер. Возвратно-поступательное перемещение заслонок внутри своих рабочих полостей должно быть обеспечено соответствующими приводными механизмами перемещения заслонок (патент RU 2260129, МПК F02B 53/02).
Однако этот двигатель внутреннего сгорания не имеет достаточно высокого коэффициента полезного действия из-за затрат мощности на привод возвратно-поступательного перемещения заслонок; не имеет высокую мощность из-за невозможности внесения большего количества топливной смеси в камеру сгорания при наличии в ней значительного количества отработанных газов, попадающих при утопленной заслонке. Кроме того, двигатель имеет значительный вес, обусловленный использованием заслонок с приводным механизмом их перемещения.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия, мощности двигателя внутреннего сгорания и снижение его веса.
Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус, установленный на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, с образованием полости между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью оси, с перегородкой, разделяющей полость на первую и вторую рабочие полости тороидальной формы, роторным поршнем и заслонкой, разделяющими первую рабочую полость на камеру сгорания и выхлопную камеру, роторным поршнем и заслонкой, разделяющими вторую рабочую полость на всасывающую и компрессорную камеры, впускным клапаном, выпускным отверстием, перепускными коллекторами с клапанами, установленными в корпусе между рабочими полостями, форсункой и свечой зажигания, заслонки выполнены в виде роторных поршней, все роторные поршни установлены на общей оси с возможностью вращения относительно оси и периодического соединения с осью. Двигатель дополнительно снабжен датчиками положения роторных поршней и фиксаторами положения роторных поршней, установленными в этих роторных поршнях.
Повышение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания обусловлено исключением затрат мощности на возвратно-поступательное перемещение заслонок путем выполнения заслонок в виде роторных поршней при согласовании движения роторных поршней посредством введенных в двигатель датчиков положения роторных поршней относительно других роторных поршней и фиксаторов положения роторных поршней.
Повышение мощности двигателя внутреннего сгорания объясняется внесением большего количества топливной смеси на место остаточных отработанных газов в камере путем выполнения заслонок в виде роторных поршней, перекрывающих путь отработанным газам в камеру сгорания.
Снижение веса двигателя внутреннего сгорания обусловлено отсутствием необходимости использования механизма перемещения заслонок за счет введения датчиков положения роторных поршней и фиксаторов положения роторных поршней для согласованного осуществления кругового движения роторных поршней, причем фиксаторы положения роторных поршней могут быть как механическими, так и электромагнитными.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 изображен двигатель внутреннего сгорания в разрезе, на фиг.3 - сечение А-А фиг.2, на фиг.4 - сечение Б-Б фиг.2, на фиг.5 - схема расположения роторных поршней на оси.
Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, перегородку 2, ось 3, поршни и заслонки, выполненные в виде роторных поршней 4, 5, 6, 7. Корпус 1 выполнен цилиндрическим, установлен стационарно на оси 3, проходящей через перегородку 2 и имеющей возможность вращения относительно корпуса 1 и относительно перегородки 2. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 3 образована полость. Между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1, между торцевыми поверхностями перегородки 2 и наружной поверхностью оси 3 образованы первая и вторая рабочие полости тороидальной формы. Таким образом, полость между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью оси 3 разделена на первую и вторую рабочие полости. Эти рабочие полости разделяются роторными поршнями 4, 5, 6, 7 на всасывающую камеру 8, компрессорную камеру 9, камеру 10 сгорания и выхлопную камеру 11.
Двигатель также содержит впускной клапан 12, выпускное отверстие 13, перепускной коллектор 14 с клапанами 15 и 16, перепускной коллектор 17 с клапанами 18 и 19, клапаны 20 и 21, форсунку 22, свечу 23 зажигания, фиксаторы 24, 25, 26, 27 положения роторных поршней 4, 5, 6, 7 и датчики 28, 29, 30, 31 положения роторных поршней 4, 5, 6, 7. Роторные поршни 4, 5, 6, 7 установлены с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 или жесткого соединения с осью 3 с помощью фиксаторов 24, 25, 26, 27 положения роторных поршней 4, 5, 6, 7 по сигналу от датчиков 28, 29, 30, 31 положения роторных поршней 4, 5, 6, 7. Эти фиксаторы 24, 25, 26, 27 положения роторных поршней 4, 5, 6, 7 могут быть как механическими, так и электромагнитными. Перепускные коллекторы 14 и 17 и клапаны 15, 16, 18, 19, 20, 21 установлены в перегородке 2 между рабочими полостями. При этом всасывающая камера 8 снабжена впускным клапаном 12, компрессорная камера 9 - выпускным клапаном 20, камера 10 сгорания - клапаном 21 для впуска сжатого воздуха, форсункой 22 и свечой 23 зажигания, а выхлопная камера 11 - выпускным отверстием 13. Клапаны 20 и 21 являются общими для перепускных коллекторов 14, 17. При этом клапан 20 установлен в начале воздуховода 32, а клапан 21 - в конце воздуховода 33.
Роторные поршни 6, 7 установлены на оси 3 с возможностью вращения относительно оси 3, вращения роторного поршня 6 вместе с осью 3, вращения роторного поршня 7 вместе с осью 3, вращения роторных поршней 6, 7 вместе с осью 3 с помощью фиксаторов 26, 27 положения роторных поршней 6, 7. Роторные поршни 6, 7 разделяют первую тороидальную рабочую полость на камеру 10 сгорания топлива и выхлопную камеру 11. Роторные поршни 4, 5 установлены также на оси 3 с возможностью вращения относительно оси 3. Роторные поршни 4, 5 установлены также с возможностью вращения роторного поршня 4 вместе с осью 3, роторного поршня 5 вместе с осью 3, роторных поршней 4 и 5 вместе с осью 3. Роторные поршни 4, 5 совершают вращательное движение внутри второй рабочей полости, при жестком соединении с осью 3 с помощью фиксаторов 24 и 25 положения роторных поршней и разделяют вторую рабочую полость на всасывающую камеру 8 и компрессорную камеру 9. Роторные поршни 4, 5 выполнены в виде лопаток, приваренных к дискам с отверстиями для оси 3, и определяют одними широкими сторонами лопаток размер всасывающей камеры 8, а другими широкими сторонами лопаток определяют размер компрессорной камеры 9. Роторные поршни 6, 7 также выполнены в виде лопаток, приваренных к дискам с отверстиями для оси 3, и определяют одними широкими сторонами лопаток размер камеры 10 сгорания, а другими широкими сторонами лопаток - размер выхлопной камеры 11. Фиксатор 24 положения роторного поршня 4 и датчик 28 положения роторного поршня 4 установлены в роторном поршне 4 вблизи перегородки 2 и оси 3. Фиксатор 25 положения роторного поршня 5 и датчик 29 положения роторного поршня 5 установлены в роторном поршне 5 вблизи корпуса 1 и оси 3. Фиксатор 26 положения роторного поршня 6 и датчик 30 положения роторного поршня 6 установлены в роторном поршне 6 вблизи корпуса 1 и оси 3. Фиксатор 27 положения роторного поршня 7 и датчик 31 положения роторного поршня 7 установлены в роторном поршне 7 вблизи перегородки 2 и оси 3. При этом роторный поршень 4 выполнен с возможностью жесткого соединения с перегородкой 2 с помощью фиксатора 24 положения роторного поршня 4 по электрическому сигналу от датчика 28 положения роторного поршня 4. Роторный поршень 4 выполнен с возможностью снятия фиксации роторного поршня 4 относительно перегородки 2 и последующего жесткого соединения с осью 3 с помощью фиксатора 24 положения роторного поршня 4 по электрическому сигналу от датчика 29 положения роторного поршня 5 относительно корпуса 1 и перегородки 2. Роторный поршень 5 выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 25 положения роторного поршня 5 по электрическому сигналу от датчика 29 положения роторного поршня 5. Роторный поршень 5 выполнен также с возможностью снятия фиксации роторного поршня 5 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 3 с помощью фиксатора 25 положения роторного поршня 5 по электрическому сигналу от датчика 28 положения роторного поршня 4. Роторный поршень 6 выполнен с возможностью жесткого соединения с корпусом 1 с помощью фиксатора 26 положения роторного поршня 6 по электрическому сигналу от датчика 30 положения роторного поршня 6. Роторный поршень 6 выполнен также с возможностью снятия фиксации относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 3 с помощью фиксатора 26 положения роторного поршня 6 по электрическому сигналу от датчика 31 положения роторного поршня 7. Роторный поршень 7 выполнен с возможностью жесткого соединения с перегородкой 2 с помощью фиксатора 27 положения роторного поршня 7 по электрическому сигналу от датчика 31 положения роторного поршня 7. Роторный поршень 7 выполнен также с возможностью снятия фиксации роторного поршня 7 относительно корпуса 1 и последующего жесткого соединения с осью 3 с помощью фиксатора 27 положения роторного поршня 7 по электрическому сигналу от датчика 30 положения роторного поршня 6.
Принято, что на фиг.1, 3 и 4 направление вращения роторных поршней 4, 5, 6, 7 осуществляется по часовой стрелке.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Используется четырехтактный цикл: всасывание; сжатие; горение и расширение; выхлоп. При этом вторая рабочая полость используется на впуск воздуха через впускной клапан 12 во всасывающую камеру 8, на одновременное с впуском воздуха во всасывающую камеру 8 сжатие находящегося в компрессорной камере 9 воздуха и вытеснение сжимаемого воздуха через клапан 20 и воздуховод 32 в перепускные коллекторы 14 и 17.
Такт всасывания. Всасывание осуществляется во время кругового движения роторного поршня 4, фиксированного на оси 3 с помощью фиксатора 24 положения роторного поршня 4 по сигналу от датчика 29 положения роторного поршня 5. Всасывание осуществляется при фиксированном относительно корпуса 1 роторном поршне 5 с помощью фиксатора 25 положения роторного поршня 5 по сигналу от датчика 29 положения роторного поршня 5. При всасывании через впускной клапан 12 во всасывающую камеру 8, расположенную между лопатками роторных поршней 4 и 5, поступает воздух из атмосферы.
Такт сжатия. В компрессорной камере 9 присутствует воздух, который сжимается с помощью движущегося по кругу роторного поршня 4, фиксированного относительно оси 3 с помощью фиксатора 24 положения роторного поршня 4 при фиксированном относительно корпуса 1 роторном поршне 5 с помощью фиксатора 25 положения роторного поршня 5. При повышенном давлении воздуха в компрессорной камере 9 открывается клапан 20 и воздух по воздуховоду 32 с помощью роторного поршня 4 нагнетается из компрессорной камеры 9 через клапан 15 в перепускной коллектор 14. Роторный поршень 4 вращается, вытесняет воздух из компрессорной камеры 9, лопатка роторного поршня 4 удаляется от одной широкой стороны лопатки роторного поршня 5 и в результате вращения приближается к другой широкой стороне лопатки роторного поршня 5. Затем по сигналу от датчика 28 положения роторного поршня 4, относительно перегородки 2 и корпуса 1, с помощью фиксатора 25 роторного поршня 5 роторный поршень 5 снимается с фиксации относительно корпуса 1 и сразу же фиксируется относительно оси 3. Далее роторный поршень 5 вращается по часовой стрелке вместе с осью 3 и одновременно со следующим за ним роторным поршнем 4, оставляя роторному поршню 4 место своей прежней фиксации относительно корпуса 1. После прохождения лопаткой роторного поршня 4 пути около клапана 20 и впускного клапана 12, роторный поршень 4 по сигналу от датчика 28 с помощью фиксатора 24 освобождается от фиксации относительно оси 3 и фиксируется относительно перегородки 2 на месте прежней фиксации роторного поршня 5 относительно корпуса 1. Роторный поршень 5 вместе с осью 3 продолжает круговое движение, впускной клапан 12 и клапан 20 открываются. К моменту открытия клапанов 12 и 20 лопатки роторных поршней 4 и 5 поменялись местами в расположении относительно клапанов 12 и 20, а всасывающая камера 8 и компрессорная камера 9 вернулись в изначальное состояние. В результате смены положений лопаток роторных поршней 4 и 5 относительно впускного клапана 12 и относительно клапана 20 такты всасывания и сжатия готовы к повторению. Воздух будет снова всасываться в камеру 8 и сжиматься в камере 9, но уже с помощью роторного поршня 5 при фиксированном относительно перегородки 2 положении роторного поршня 4. Из компрессорной камеры 9 сжатый воздух будет подаваться через клапан 20, воздуховод 32 и клапан 18 в перепускной коллектор 17 и там накапливаться. Из перепускных коллекторов 14 или 17 попеременно и соответственно через клапан 16 или 19 сжатый воздух по воздуховоду 33 подается в камеру 10 сгорания через клапан 21.
Такт горения и расширения. Топливо в камеру 10 сгорания подается через форсунку 22. Вторая рабочая полость используется на горение и расширение топливной смеси в камере 10 сгорания и на одновременный с горением и расширением топливной смеси выхлоп находящихся в выхлопной камере 11 отработавших газов. К началу горения и расширения топливной смеси роторный поршень 7 снят с фиксации относительно оси 3 с помощью фиксатора 27 роторного поршня 7 по сигналу от датчика 31 положения роторного поршня 7 относительно перегородки 2 и фиксирован относительно перегородки 2. Во время кругового движения роторного поршня 6, скрепленного с осью 3 фиксатором 26 положения роторного поршня 6, и понижения давления в камере 10 сгорания в камеру 10 сгорания поступает сжатый воздух из перепускного коллектора 14 от клапана 16 по воздуховоду 33 через открытый клапан 21. В этот же момент в камеру 10 сгорания впрыскивается достаточное количество топлива через форсунку 22, и топливная смесь поджигается от свечи 23 зажигания. Повышенное давление горящих газов в камере 10 сгорания заставляет роторный поршень 6 активно вращаться по часовой стрелке вместе с осью 3 при фиксированном положении роторного поршня 6 относительно оси 3 и фиксированном положении роторного поршня 7 относительно перегородки 2 и корпуса 1. Лопатка роторного поршня 6 при вращении удаляется от одной широкой стороны лопатки роторного поршня 7 и приближается к другой широкой стороне лопатки роторного поршня 7, фиксированного относительно перегородки 2. По сигналу от датчика 30 положения роторного поршня 6 относительно перегородки 2 и корпуса 1 с помощью фиксатора 27 положения роторного поршня 7 роторный поршень 7 снимается с фиксации относительно перегородки 2 и фиксируется относительно оси 3. Затем роторный поршень 7 поворачивается по часовой стрелке одновременно с осью 3 и со следующим за ним роторным поршнем 6, оставляя роторному поршню 6 место своей прежней фиксации относительно корпуса 1 и перегородки 2 для фиксации роторного поршня 6 относительно корпуса 1 и перегородки 2. После прохождения лопаткой роторного поршня 6 пути около выпускного отверстия 13 и сразу после прохождения лопатки мимо клапана 21 роторный поршень 6 освобождается от фиксации относительно оси 3 и фиксируется относительно корпуса 1. Роторный поршень 6 фиксируется относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 26 роторного поршня 6 по сигналу от датчика 30 положения роторного поршня 6 относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации роторного поршня 7 относительно перегородки 2. Роторный поршень 7 вместе с осью 3 продолжают круговое движение, впускной клапан 21 открывается, выпускное отверстие 13 открыто. К моменту открытия клапана 21 и выпускного отверстия 13 лопатки роторных поршней 6 и 7 поменялись местами в расположении относительно клапана 21 и выпускного отверстия 13, а камера 10 сгорания и выхлопная камера 11 вернулись в изначальное состояние. В выхлопной камере 11 такт выхлопа осуществлялся одновременно с тактом горения в камере 10 сгорания.
Такт выхлопа. Одновременно с тактом горения и расширения осуществляется такт выхлопа. В выхлопной камере 11 имеются отработанные газы, которые вытесняются роторным поршнем 6 из выхлопной камеры 11 через выпускное отверстие 13. При подходе лопатки роторного поршня 6 к лопатке роторного поршня 7 роторный поршень 7 по сигналу от датчика 30 положения роторного поршня 6 относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 27 положения роторного поршня 7 снимается с фиксации относительно перегородки 2, фиксируется относительно оси 3 и начинает свое движение. При обмене выполняемых функций роторного поршня 6 и роторного поршня 7 идет кратковременное смешение отработанных к этому моменту газов камеры 10 сгорания и оставшихся газов выхлопной камеры 11. После прохождения лопаткой роторного поршня 6 пути около выпускного отверстия 13 и клапана 21 роторный поршень 6 освобождается от фиксации относительно оси 3. После этого поршень 6 сразу фиксируется относительно корпуса 1 с помощью фиксатора 26 положения роторного поршня 6 по сигналу от датчика 30 положения роторного поршня 6 относительно корпуса 1 на месте прежней фиксации роторного поршня 7 относительно перегородки 2. Вторая рабочая полость готова к повторению такта горения и расширения топливной смеси и такта выхлопа, а двигатель внутреннего сгорания готов к повторению четырехтактного цикла работы. Повторение цикла работы будет осуществляться с использованием заготовленного к этому времени в перепускном коллекторе 17 сжатого воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания имеет следующие преимущества:
- повышенный коэффициент полезного действия вследствие исключения затрат мощности на возвратно-поступательное перемещение заслонок путем выполнения заслонок в виде роторных поршней, снабженных датчиками положения относительно других поршней и фиксаторами;
- повышенную мощность вследствие внесения большего количества топливной смеси на место остаточных отработанных газов в камере сгорания путем выполнения заслонок в виде роторных поршней, перекрывающих путь отработанным газам в камеру сгорания;
- снижение веса вследствие выполнения заслонок в виде роторных поршней при отсутствии необходимости в приводном механизме их возвратно-поступательного перемещения.