МНОГОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися роторами.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, в корпусе которого размещен ротор со смещением по отношению к оси корпуса двигателя (патент США №4688531). В роторе данного двигателя выполнены радиальные расточки, в которых размещены гильзы цилиндров с возможностью скольжения в радиальном направлении. При работе данного двигателя гильзы движутся вместе с ротором в окружном направлении и также возвратно-поступательно в радиальных расточках ротора. Поршни размещены в гильзах цилиндра и движутся только в окружном направлении вместе с ротором. Изменение объема между поверхностью поршня и поверхностью гильзы цилиндра происходит в результате радиального перемещения гильз цилиндра и обеспечивает всасывание горючей смеси через входное окно, затем сжатие в цилиндре и выпуск в рабочие камеры, которые образованы внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ротора в радиальном направлении. В окружном направлении рабочие камеры ограничены наружной поверхностью двух соседних гильз и в осевом направлении ограничены боковыми крышками. Сгорание топлива происходит в рабочих камерах. Разность давлений в рабочих камерах вызывает вращение ротора. Процесс сжатия происходит частично в рабочих камерах и частично в гильзах цилиндров. Процесс расширения также осуществляется частично в рабочих камерах и частично в гильзах цилиндров. Для выхлопа отработавших газов предусмотрены выхлопные и продувочные отверстия. Воздух в продувочные отверстия подается вентилятором.
Недостатком данного двигателя является низкая надежность, поскольку во время работы наружная поверхность гильзы цилиндра нагревается до высокой температуры в рабочих камерах, где происходит сгорание топлива, и контактирует с ротором в радиальных расточках. В зоне контакта гильз и ротора возникает большое трение, поскольку в радиальных расточках ротора возникает усилие, вызывающее вращение ротора. Недостатком также является необходимость применения вентилятора для поступления свежего воздуха.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент США US 2003047158), состоящий из корпуса, смещенного относительно оси вращения ротора. Лопатки присоединены к ротору шарнирно и создают отдельные камеры в двигателе. Каждая из камер обладает способностью работать по циклу Отто. Всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп осуществляются за 720 градусов поворота ротора двигателя. Каждая камера обладает свечей зажигания и клапанами впуска и выпуска, которые позволяют всасывать свежую смесь и удалять отработавшие газы.
Недостатком двигателя является низкая надежность ввиду того, что шарнирные соединения крепления лопаток находятся в зоне сгорания топлива. Кроме того, сжатие и расширение рабочего тела происходит в одинаковых объемах, что не позволяет обеспечить полное расширение в процессе рабочего хода.
Известен поршневой двигатель по патенту РФ на изобретение №2239068. В данном двигателе применены поршни двустороннего действия, которые во время работы совершают колебательное движение в цилиндрах. Поршни кинематически связаны с качающимся рычагом, установленным на колене коленчатого вала. Колено расположено под углом 5-30° к оси вращения коленчатого вала, что дает возможность преобразовать колебательные движения поршней двустороннего действия во вращательное движение коленчатого вала. Поршни двустороннего действия увеличивают мощность двигателя.
Недостатком данного двигателя является невозможность расширения рабочего тела до давления, близкого к атмосферному давлению.
За прототип принят ротационный двигатель по авторскому свидетельству СССР №1183691, который содержит корпус с овальной полостью, в которую помещен наружный ротор с радиальными прорезями. В прорезях наружного ротора размещены пластины, на внутреннем конце которых закреплены поршни. На пластинах помещаются перфорированные футляры. На одной оси с наружным ротором размещен внутренний ротор, в котором выполнены цилиндры и в цилиндрах размещены поршни. В цилиндрах и в корпусе выполнены впускные и выпускные окна, также в корпусе выполнены пазы для возвратно-поступательного перемещения пластин вместе с поршнями в радиальном направлении. Пластины в полости корпуса образуют рабочие камеры между стенками корпуса и наружного ротора. При работе ротационного двигателя свежий воздух поступает в цилиндры и после сжатия направляется в камеру сгорания, в которой происходит сгорание топлива. Рабочее тело по каналу из камеры сгорания поступает в рабочие камеры. Разность давления в рабочих камерах вызывает вращение наружного и внутреннего ротора.
Преимуществом ротационного двигателя является то, что процесс сжатия и процесс расширения происходят в разных объемах, что позволяет расширить продукты сгорания до низкого давления.
Недостатком прототипа является применение поршней одностороннего действия, что уменьшает мощность двигателя.
Задачей настоящей полезной модели является создание двигателя, обладающего большой мощностью.
Поставленная задача решается тем, что многопоршневой двигатель состоит из корпуса с полостью, впускных и выпускных окон, наружного ротора с радиальными прорезями и с размещенными в них пластинами, образующими между стенками корпуса и наружного ротора рабочие камеры переменного объема. Рабочие камеры выполнены сообщающимися с камерой сгорания и образующими в совокупности в зоне расширения рабочего тела проточную часть двигателя. Также двигатель состоит из выполненных в наружном роторе цилиндров и с размещенными в них поршнями, кроме того, из помещенного в полость наружного ротора внутреннего ротора, ось которого параллельна и смещена относительно оси наружного ротора. Кроме того, цилиндры размещены в наружном роторе, по меньшей мере, в двухярусном исполнении в радиальном направлении. Также поршни в разных ярусах соединены между собой штоками в радиальном направлении, причем в верхнем ярусе поршни соединены с пластинами, кроме того, в нижнем ярусе штоки соединены шарнирно с шатунами. Также каждый цилиндр двигателя снабжен окнами, размещенными в верхней и нижней части цилиндра по разные стороны от поршня в радиальном направлении, кроме того, выполненными со способностью к соединению с впускными и выпускными окнами в корпусе. Также в корпусе и в цилиндрах окна выполнены с возможностью предотвращения перетекания воздуха между впускными и выпускными окнами в корпусе. Причем, цилиндры, размещенные на разных ярусах, выполнены с одинаковыми величинами диаметра или различающимися по величине диаметра в большую или меньшую сторону. Кроме того, выпускные окна на корпусе двигателя в каждом ярусе выполнены со смещением в окружном направлении по отношению к другим выпускным окнам на корпусе в данном ярусе, также со смещением к выпускным окнам на корпусе в другом ярусе. Причем, внутренние и внешние стенки цилиндров в радиальном направлении выполнены с возможностью обеспечения герметичности, кроме того, выполнены с возможностью обеспечения свободного прохода штоков и пластин. Также на трубопроводе подвода сжатого воздуха в камеру сгорания размещен трубопровод с запорным устройством, выполненный с возможностью соединения с потребителем сжатого воздуха. Кроме того, часть впускных окон выполнена с возможностью соединения с источником газа, причем, соответствующая данным впускным окнам часть выпускных окон, выполнена с возможностью соединения с потребителем газа.
На Фиг. 1 изображен многопоршневой двигатель.
На Фиг. 2 изображено сечение А-А данного двигателя.
Многопоршневой двигатель на Фиг. 1 и 2 содержит корпус 1, в полости корпуса, размещен наружный ротор 2, в полости 3 которого размещен внутренний ротор 4. Ось 5 внутреннего ротора выполнена параллельно и со смещением относительно оси 6 наружного ротора. Буквой В обозначено смещение между осями. В наружном роторе выполнены цилиндры нижнего яруса 7 и цилиндры верхнего яруса 8, в которых размещены поршни нижнего яруса 9 и поршни верхнего яруса 10 с возможностью перемещения в радиальном направлении. В полости корпуса размещены пластины 11, которые крепятся к наружной поверхности поршней верхнего яруса и размещены в радиальных прорезях наружного ротора с возможностью перемещения в радиальном направлении и с возможностью герметизации цилиндра. Пластины делят полость корпуса в окружном направлении на рабочие камеры 12. Каждая рабочая камера ограничена в окружном направлении пластинами, в радиальном направлении стенками наружного ротора и корпуса двигателя и в осевом направлении ограничена боковыми стенками корпуса. Объем последней по ходу расширения рабочего тела рабочей камеры выполнен со способностью обеспечения величины давления рабочего тела, близкой к величине атмосферного давления. Совокупность рабочих камер в зоне расширения рабочего тела составляет проточную часть двигателя. Внутренняя поверхность корпуса в проточной части выполнена максимально приближенной к линии движения конечной точки каждой из пластин. В данном двигателе выполнено четыре рабочих камеры, которые расположены в полости корпуса отточки K до точки C, в направлении стрелки M. Предусмотрено в двигателе и другое количество рабочих камер. К каждому поршню крепятся в радиальном направлении штоки 13, которые соединяют между собой поршни нижнего и верхнего яруса через отверстия, выполненные в стенках цилиндров с возможностью сохранения герметичности. Для сохранения герметичности предусмотрены также наружные направляющие элементы 14, установленные между цилиндрами нижнего и верхнего яруса и внутренние направляющие элементы 15, установленные на внутренней стенке каждого цилиндра внутреннего яруса. Цилиндры, размещенные на разных ярусах, выполнены с одинаковыми диаметрами или отличающимися по величине диаметра в большую или меньшую сторону. Причем уменьшение диаметра цилиндра возможно вплоть до нуля, в этом случае двигатель становится одноярусным с поршнем двойного действия. Увеличение диаметра цилиндра на каждом ярусе ограничено размерами наружного ротора. Соответственно, на верхнем ярусе возможно применение цилиндров с большим по величине диаметром, чем на нижнем ярусе. К каждому внутреннему штоку посредством шарнирных соединений 16 присоединен шатун 17. Свободным концом шатуны посредством шарнирных соединений 18 прикреплены к внутреннему ротору. Шарнирные соединения выполнены с возможностью обеспечения смазки. В корпусе выполнены впускные окна нижнего яруса 19, 20 и впускные окна для внешнего яруса 21, 22. Также в корпусе выполнены выпускные окна 23, 24 для сжатого воздуха в цилиндрах нижнего яруса и выпускные окна 25, 26 для сжатого воздуха в цилиндрах верхнего яруса. Окна выполнены с возможностью предотвращения перетекания воздуха между впускными и выпускными окнами в корпусе. К каждому выпускному окну присоединен трубопровод сжатого воздуха 27, к которому присоединен ресивер 28. В выхлопном патрубке 29 размещен регенератор 30, входной конец которого соединен с ресивером, и выходной конец соединен с камерой сгорания 31. Для предотвращения утечек из камеры сгорания служат уплотнения 32, в радиальных прорезях наружного ротора размещены уплотнения 33, которые выполнены с возможностью обеспечения свободного прохода пластин также, при необходимости, выполняет функции направляющего элемента. Стрелка T показывает направление движения рабочего тела из камеры сгорания данного двигателя. Трубопровод сжатого воздуха соединен трубопроводом 34 посредством задвижки 35 с потребителем сжатого воздуха, (на чертеже не показан). В каждом цилиндре нижнего яруса выполнены окна 36, 37 и в цилиндрах верхнего яруса выполнены окна 38, 39 для подвода свежего воздуха в цилиндры, которые также служат для отвода сжатого воздуха. Наружный и внутренний ротор размещен в корпусе двигателя на подшипниках 40.
Многопоршневой двигатель работает следующим образом. В камере сгорания 31 осуществляется сгорание топлива, рабочее тело поступает по стрелке Т в рабочие камеры 12, размещенные в полости корпуса 1. Разность давлений в рабочих камерах вызывает вращение наружного ротора 2 по стрелке M. В результате вращения ротора происходит увеличение объема рабочих камер, и давление в рабочих камерах снижается. Максимальное давление рабочего тела в точке K, которая размещена в первой по ходу расширения рабочей камере. В последней по ходу расширения рабочего тела рабочей камере, в точке C, давление, близкое к атмосферному. Совокупность всех рабочих камер в зоне расширения рабочего тела составляет проточную часть двигателя. Внутренняя поверхность корпуса двигателя в проточной части выполнена максимально близкой к траектории движения конечной точки пластин 11, что позволяет снизить потери от утечек. Смещение B осевой линии 6 наружного ротора относительно осевой линии 5 внутреннего ротора 4 вынуждает каждую из пластин совместно с поршнем верхнего яруса 10 совершать возвратно-поступательное движение посредством шатунов 17 и шарнирных соединений 16 шатунов со штоками 13, а также с помощью шарнирных соединений 18 шатунов с внутренним ротором. Усилие, вызывающее вращение наружного ротора, возникает в месте контакта штока с наружными направляющими элементами 14 и в месте контакта штока с внутренними направляющими элементами 15. Поскольку контакт происходит вдали от проточной части, температура в местах контакта сравнительно невысока, это позволяет обеспечить смазку и повышает надежность работы двигателя. При этом отверстие для штока в наружных и внутренних направляющих элементах выполнено с обеспечением герметичности цилиндров. Поступление воздуха в цилиндры осуществляется через впускные окна в корпусе двигателя для цилиндров нижнего яруса это - впускные окна 19 и 20, для цилиндров верхнего яруса это - впускные окна в корпусе 21 и 22. В каждом цилиндре нижнего яруса выполнены окна 36, 37 и в цилиндрах верхнего яруса выполнены окна 38, 39 для подвода свежего воздуха в цилиндры, которые также служат окнами для отвода сжатого воздуха. Во время работы данного двигателя в каждом цилиндре происходит подвод свежего воздуха в одну половину цилиндра и сжатие воздуха в другой половине цилиндра. Сжатый воздух выходит из цилиндров при контакте окон в цилиндре с выпускными окнами 23, 24, выполненными в корпусе для цилиндров нижнего яруса и с выпускными окнами 25, 26, выполненными в корпусе для цилиндров верхнего яруса. Сжатый воздух через трубопровод 27 и ресивер 28 поступает в регенератор 30, установленный в выхлопном патрубке 29. Из регенератора воздух поступает в камеру сгорания 31, куда подается топливо, и продукты сгорания направляются в проточную часть двигателя. Для предотвращения утечек из камеры сгорания служат уплотнения 32. Для предотвращения утечек из проточной части служат уплотнения 33, которые также, при необходимости, выполняют функции направляющего элемента. Полный цикл в данном двигателе осуществляется за 180°, что эквивалентно по мощности в четыре раза большему числу цилиндров в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания. В данном двигателе достаточно компактно в два яруса размещено 16 цилиндров. Для получения примерно такой же мощности в четырехтактном двигателе при аналогичных параметрах необходимо иметь 64 цилиндра. Кроме того, в данном двигателе при размещении во внешнем ярусе цилиндров большего диаметра, чем у цилиндров на внутреннем ярусе, мощность дополнительно увеличится. Также предусмотрена установка дополнительных ярусов с цилиндрами. Процесс сгорания в камере сгорания при работе данного двигателя непрерывен, это упрощает систему зажигания и топливную систему, ресивер сглаживает пульсации сжатого воздуха. Кроме того, выпускные окна на корпусе двигателя в каждом ярусе выполнены со смещением в окружном направлении по отношению к другим выпускным окнам на корпусе в данном ярусе, также со смещением к выпускным окнам в другом ярусе, что дополнительно сглаживает пульсации сжатого воздуха.
Предусмотрена также возможность использования данного двигателя в качестве компрессора. Для этого на трубопроводе 34, который связан с потребителем сжатого воздуха, открывают задвижку 35.
Также предусмотрено, что часть впускных окон соединена с источником газа, причем соответствующая данным впускным окнам часть выпускных окон соединена с потребителем газа, то есть предусмотрена перекачка газа.
В данном двигателе происходит расширение рабочего тела практически до величины атмосферного давления, это означает, что данный двигатель работает по циклу Брайтона с регенерацией, то есть по тому циклу, по которому работают газотурбинные установки (ГТУ) с регенерацией. Причем данный двигатель имеет ряд преимуществ перед ГТУ. Например, в двигателе нет необходимости соблюдать определенное соотношение между скоростью потока в осевом направлении и окружной скоростью ротора. Также в данном двигателе вместо большого количества сложных по форме и дорогих по цене рабочих и направляющих лопаток применено всего несколько пластин, причем каждая пластина, находящаяся в проточной части двигателя, заменяет в ГТУ ступень, состоящую из направляющих и рабочих лопаток. Кроме того, при работе двигателя не может возникнуть помпаж на нерасчетных режимах, также при работе двигателя происходит естественным образом охлаждение пластин и ротора, что упрощает систему охлаждения.