Карусельный двигатель
ROTARY ENGINE

Раздел 01
Карусельный двигатель, это двигатель внутреннего сгорания на жидком или газообразном топливе, с наличием поршней, цилиндров, систем подачи топлива и зажигания. В конструкции карусельного двигателя отсутствует кривошипно-шатунный механизм, а передача поступательного движения поршней при их выталкивании из цилиндров преобразуется во вращательное движение центрального вала за счет карусельной схемы соединения двигающихся деталей двигателя (см. раздел 03 настоящего описания). Назначение карусельного двигателя полностью совпадает с назначением обычного двигателя внутреннего сгорания (Применим в качестве двигателя для техники, перечисленной в разделе 02.1 настоящего описания).
Раздел 02
Область техники, к которому относится изобретение, уровень техники.
02.1 Область техники
02.1.1 Автомобильный транспорт, тракторы, сельхозмашины и др.
02.1.2 Железнодорожный транспорт, в т.ч. энергопоезда.
02.1.3 Морской и речной флот, катера.
02.1.4 Легкомоторная авиация.
02.1.5 Строительная, дорожная техника (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры, самоходные краны, компрессоры, передвижные электростанции и др.).
02.1.6 Стационарная электроэнергетика.
02.1.7 Привод компрессоров, насосов на трубопроводах, в бурильных установках.
02.1.8 Бензоинструмент.
02.2 Уровень техники
02.2.1 Основные принципы работы двигателя внутреннего сгорания (далее - ДВС) создавались с 1794 г. (Роберт Стрит запатентовал ДВС на жидком топливе) до 1877 г. - Николаус Август Отто создал ДВС с 4-х тактным циклом, с электро-искровым зажиганием, с кривошипно-шатунным механизмом (далее КШМ), с системой охлаждения и смазки. А в 1886 г. Даймер и Майбах добавили бензиновый карбюратор. В дальнейшем ДВС постоянно совершенствовался, кроме поршневого двигателя изобретались новые виды ДВС (газотурбинный, роторно-поршневой, реактивный, турбореактивный, турбовинтовой, комбинированный и др.).
02.2.2 Наиболее близким аналогом можно считать поршневой двигатель с КШМ. В этом двигателе так же, как и в предлагаемом, имеются цилиндры, поршни, шатуны, электроискровое зажигание, система подачи топлива (карбюратор или форсунки), система отвода газов (клапаны), системы охлаждения и смазки.
02.2.3 В ДВС аналога (прототипа) преобразование поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение вала происходит при помощи КШМ. В предложенной конструкции поступательное движение поршня преобразуется в поворотно-поступательное движение перекаточного круга, который двигаясь по горизонтальной окружности направляющего диска, как в карусели, вращает вертикальный центральный вал, объединенный коромыслом (горизонтальным элементом) с перекаточным кругом.
02.2.4 В кинематике прототипа ось шарнира, объединяющего шейку коленвала с шатуном поршня (в дальнейшем - точка «А»), двигается по траектории окружности. Вектор силы выталкивания поршня из цилиндра (в момент зажигания) имеет угол наклона к вектору движения точки «А» близкий к 90 градусов, что влияет на снижение КПД двигателя (пока вектор движения поршня не сравняется с вектором перемещения точки «А» происходит переход значительной части энергии расширения топливной смеси в бесполезную тепловую энергию).
02.2.5 В предложенном «Карусельном двигателе» вектор движения поршня при выталкивании из цилиндра имеет угол наклона близкий к углу наклона вектора передвижения шарнира шатуна, двигающегося по траектории трохоиды, аналогичной траектории циклоиды, по траектории которой, перемещаются точки находящиеся на поверхности качения перекаточного круга. Вектор действия силы показан на фигуре №1 в момент подачи зажигания в цилиндр. Теоретически, такой двигатель должен иметь более высокий КПД.
02.2.6 По сравнению с прототипом в «Карусельном двигателе» поршень имеет шарообразную форму. Такая форма поршня показана, как возможный вариант.
Раздел 03
Раскрытие сущности изобретения
03.1 Технический результат:
При изготовлении и применении карусельного двигателя технический результат выражается в расширении арсенала технических средств по преобразованию поступательного движения поршня в цилиндре ДВС во вращательное движение рабочего вала и в отсутствии применения сложного в изготовлении и металлоемкого кривошипно-шатунного механизма. Кроме этого, новая конструкция может увеличить КПД двигателя.
03.2 Совокупные, существенные, отличительные признаки, влияющие на технический результат
03.2.1 Отсутствие кривошипно-шатунного механизма.
03.2.2 Наличие перекаточного круга (в дальнейшем ПК) и объединенного с ним диска синхронизатора с шарнирно закрепленными к диску через шатуны поршнями, которые поочередно входят в цилиндры, расположенные с расчетным шагом по окружности направляющего диска.
03.2.3 Наличие неподвижного, горизонтального направляющего диска, вертикального центрального вала и горизонтального соединительного элемента (коромысло), которое жестко соединено с валом, а с ПК. через подшипник.
03.2.4 Преобразование поступательного движения поршня при его выталкивании из цилиндра в поворотно-поступательное движение ПК, который перекатываясь по краю круглого направляющего диска за счет наличия горизонтального соединительного элемента ПК с центральным валом, приводит во вращение центральный вал, расположенный в центре диска (карусельное движение). При этом, центры осей шарниров для крепления шатунов двигаются по траектории трохоиды.
03.2.5 Наличие синхронизирующего устройства на ПК, обеспечивающего поворот шатунов поршней под нужным углом для попадания поршней в цилиндры. (В плоскости ПК, поворот шатунов обеспечивают шестерни, закрепленные на диске синхронизатора, а в перпендикулярной плоскости возвратная пружина и направляющий упор).
Синхронизация движения поршней может иметь и другие конструктивные решения.
03.3 Признаки для характеристики устройства:
03.3.1 Для обеспечения работы устройства необходимо рассчитать взаимозависимые параметры - диаметр ПК (d) и диаметр окружности по оси которой катится ПК по направляющему диску (О). Периметры (диаметры) этих окружностей должны отличаться на кратное число раз, на пример: d ПК - 200 мм., a D должен быть 400 мм. или 600 мм и т.д. При таком расчете, расстановка цилиндров по окружности с равным шагом между ними, должна совпадать с шагом между точками заострения циклоиды, которая образуется при качении ПК.
03.3.2 В зависимости от количества поршней закрепляемых на ПК меняется количество и шаг установки цилиндров. В прилагаемых схемах (фиг. 1; 2; 3; 4;) показано устройство с 2-мя коромыслами и ПК, с 2-мя поршнями на каждом ПК и с 8-ю цилиндрами. При устройстве с 3-мя коромыслами и 3-мя ПК или с 4-мя - количество цилиндров соответственно увеличивается.
03.3.3 Объем цилиндров (камера сгорания, мощность двигателя) зависит от диаметра поршня (ширина) и от диаметра ПК (глубина). Форма поршня в виде шара показана в прилагаемых схемах для простоты понимания принципиальной работы карусельного двигателя, возможны и другие варианты - на пример с цилиндрическим поршнем, при этом поршень к шатуну (к штанге) крепится шаровым шарниром, а расположение поршня под нужным углом осуществляется при помощи пружины и фиксатора (упора).
03.3.4 Для обеспечения технологичности при изготовлении двигателя и для возможности применения известных систем подачи топлива в цилиндры, системы зажигания (установка свечей в цилиндрах) и системы охлаждения (при необходимости) - предусмотрено стационарное закрепление цилиндров в корпусе двигателя. Хотя теоретически, цилиндры можно опереть на шаровые опоры, а крепление шатунов к ПК выполнять жестким узлом без шарнира, не потребуется синхронизатор поршней, но при такой схеме усложняются системы подачи топлива, зажигания, охлаждения, а кроме этого необходимо после выхода поршня из цилиндра возвращать цилиндр обратно - изменять угол наклона цилиндра для попадания в него следующего поршня (какие-то направляющие и возвратные пружины).
03.3.5 Расположение стационарных цилиндров в верхней части корпуса двигателя горловиной вниз, предусмотрено для удобства эксплуатации двигателя (установка свечей, подключение форсунок с топливом) и для предотвращения попадания масла в цилиндры - масло стекает в нижние лотки корпуса. Обеспечение смазки трущихся деталей в предлагаемом устройстве возможно в разных вариантах, реализация которых не влияет на принцип действия карусельного двигателя.
03.3.6 Необходимо исключить проскальзывание ПК по направляющему диску, для этой цели можно выполнить радиальную насечку (зубья) по направляющему диску и соответствующие зубья на ПК. Существуют и другие способы исключения проскальзывания, на пример: на перекаточной поверхности ПК закрепить шарики, которые будут попадать в соответствующие отверстия направляющего диска.
03.3.7 Для попадания поршней в цилиндры, следует предусмотреть систему синхронизации, которая обеспечивает нужный угол поворота шатуна. Как вариант, в предлагаемом устройстве применен блок из 4-х взаимовращающихся шестерней - поворот шатуна в плоскости ПК. Возвратная пружина с направляющим упором - поворот в перпендикулярной плоскости по отношению к плоскости ПК. Возможны и другие варианты не влияющие на принцип действия карусельного двигателя.
03.3.8 Ось вертикально расположенного центрального вала проходит через центр горизонтального направляющего диска. ПК соединяется с центральным валом горизонтальным элементом (коромыслом), которое жестко крепится к валу, а к ПК крепится через подшипник, позволяющий вращение ПК вокруг оси коромысла. Перемещение ПК по направляющему кругу передает через коромысло вращение центральному валу.
03.3.9 При выталкивании поршня из цилиндра возникает вертикальное усилие, которое частично оказывает поворотно-поступательное действие на ПК, а частично на изгиб коромысла. Для исключения возможной деформации коромысла и узлов его соединения, предусмотрено крепление опорного ролика к каждому коромыслу и его опирание при качении по опорному диску, закрепленному к корпусу двигателя.
03.3.10 Все детали двигателя (в том числе корпус) стальные или изготовленные из материалов с показателями близкими к показателям стали по жаропрочности, износостойкости, прочности и динамической усталости.
Раздел 04 Описание чертежей:
04.1 Фигура №1 - Развертка вдоль оси качения перекаточного круга (2 поршня на ПК). На схеме (Фигура №1) шестерни синхронизатора показаны только на 2-рой стадии. Обозначения стадий, конструктивных элементов, деталей:
- Сплошной линией обозначены: стадия №1 работы двигателя; траектории трохоиды (41) по которым двигаются точки «А» и «Б»; очертания цилиндров и линия поверхности качения ПК по направляющему диску (38).
- Пунктирной линией с тремя точками между пунктирами обозначена стадия №2.
- Линией из точек обозначена стадия №3
- Штрих-пунктирная линия обозначает оси деталей (цилиндра, поршня, шатуна, ПК, шестерней), перемещения центра ПК (37) и предыдущее положение наклона шатуна при выходе из цилиндра (40).
- Стрелкой (35) обозначено направление перемещения центра ПК
- Стрелкой (36) обозначен вектор перемещения точки «А» в момент зажигания на стадии №1.
- Стрелкой (39) показан радиус ПК
- Угол N между линиями, выходящими из точки «Б» (вторая стадия) (42) - осью шатуна при входе в цилиндр (17-1.2) и осью предыдущего положения этого шатуна при выходе из цилиндра (40).
- Штриховкой обозначена камера сгорания цилиндра (5)
04.2 Фигура №2 - Фасад. Вид по 2-2; На правой половине чертежа не показаны петли-проушины шатунов, проушины, упоры направляющие, шатуны, штанги поршней и опоры направляющего диска.
Фигура №3 - План (стадия-1); На правой половине плана не показаны шатуны, штанги, петли-проушины, подшипник вращения перекаточного круга.
Фигура №4 - План (стадия-2); На чертеже не показан корпус двигателя, шатуны, опоры направляющего диска и петли. Обозначение конструктивных элементов, деталей на фигурах №1; 2; 3; 4 (кроме тех, которые описаны в предыдущем разделе
(04.1) Фигура №1)
1. Центральный вал (1)
2. Коромысло (2-1; 2-2)
3. Перекаточный круг (ПК) (3-1; 3-2)
4. Направляющий диск (4)
5. Цилиндры (5-1.1; 5-1.2; 5-1.3; 5-1.4; 5-2.1; 5-2.2; 5-2.3; 5-2.4)
6. Поршень шаровой (6-1.1; 6-1.2; 6-2.1; 6-2.2)
7. Диск синхронизатора (7-1; 7-2)
8. Шатун поршня (8-1.1; 8-1.2; 8-2.1; 8-2.2)
9. Штанга поршня - 4 шт. (9)
10. Соединит.элементы крепления ПК к диску синхронизатора (10-1 и 10-2)
11. Подшипники вращения ПК - 2 шт. (11)
12. Ось перемещения (качения) ПК по направляющему диску (12)
13. Петли-проушины крепления шатуна к диску синхронизатора - 4 шт. (13)
14. Шестерни синхронизатора (14-1.1; 14-1.2; 14-2 -2 шт.)
15. Оси вращения шестерней синхронизатора - по 4 шт. на каждом диске синхронизатора (15)
16. Пересечения осей поворота шатунов в петле-проушине (точка «А» или «Б») - в 4-рех петлях (16)
17. Оси шатунов (штанг) поршней (17-1.1; 17-1.2; 17-2.1; 17-2.2)
18. Опорные ролики - 2 шт. (18)
19. Опорный диск (19)
20. Пружины возвратные - 4 шт. (20)
21. Упоры направляющие - 4 шт. (21)
22. Подшипники центрального вала - 2 шт (22)
23. Корпус двигателя (23)
24. Опоры направляющего диска (24-1; 24-2; 24-3; 24-4)
25. Проушины крепления роликов - 2 пары (25)
26. Зубья шестерни на 2-х ПК (26)
27. Радиальные зубья по направляющему диску (27). На Фигурах №3 и 4 -заштриховано.
28. Поверхность опорного диска (28)
29. Поверхность направляющего диска (29)
30. Ось центрального вала (30)
31. Проекция угла М на плоскость чертежа (31)
32. Ось поворота шатуна в петле-проушине на угол М (32)
33. Радиальные оси цилиндров (33)
34. Ось цилиндров по окружности (34)
35. Оси опор направляющего диска (43-1; 43-2; 43-3; 43-4)
36. Направление вращения центрального вала (44) на Фиг. №4
Раздел 05 Описание технического результата при внедрении изобретения
05.1 Описание двигателя в статическом состоянии
05.1.1 В прилагаемых чертежах (Фиг. №1; 2; 3; 4;) показана конструкция двигателя с расположением 8-и цилиндров.
05.1.2 К корпусу двигателя (Фиг. №2), (23) крепятся:
- цилиндры (5-1.1; 5-1.2; 5-1.3; 5-1.4; 5-2.1; 5-2.2; 5-2.3; 5-2.4)
- опоры направляющего диска (24-1; 24-2; 24-3; 24-4), на которых закреплен направляющий диск (4) с радиальными зубьями (27) по пов-ти качения ПК
- опорный диск (19)
- подшипники центрального вала (22) - верхний и нижний.
05.1.3 К центральн. валу (Фиг. №2) (1) крепятся жестким узлом коромысла (п.2-1 и 2-2)
05.1.4 К коромыслам, (Фиг. №2; 3; 4) (2-1, 2-2) крепятся:
- опорные ролики (18) на проушинах (25) - по одному ролику на коромысло.
- перекаточный круг (ПК) (3.1 и 3.2) - через подшипники (11), обеспечивающие вращение ПК вокруг оси коромысла (ось X) (Фиг. №3)
05.1.5 Перекаточные круги (Фиг. №1; 2; 3; 4) (3.1 и 3.2)
- Имеют радиальные зубья (26) на поверхности качения для сцепления с зубьями направляющего диска (27)
- Соединены с дисками синхронизатора (7-1 и 7-2) через соединительные элементы (10-1 и 10-2) - соединение жесткое.
05.1.6 К диску синхронизатора (Фиг. №2;3; 4) (7-1 и 7-2)
- Соединены шарнирно через петли-проушины (13) - шатуны (8-1.1; 8-1.2; 8-2.1; 8-2.2). Каждое шарнирное соединение в петлях-проушинах имеет направляющий упор (21) и возвратную пружину (20).
- Закреплены с наружной стороны 4-ре шт. шестерни синхронизатора (Фиг. 1)(14-1.1; 14-1.2; 14-2 -2 шт. ) - с зацеплением зубьями между собой. Оси вращения (15) каждой шестерни перпендикулярны плоскости диска синхронизатора и объединены с петлями-проушинами (13) жестким узлом (поворот шатуна приведет к повороту шестерней).
05.1.7 Поршневые шатуны (Фиг. №2; 3) (8-1.1; 8-1.2; 8-2.1; 8-2.2) жестко соединены с поршневыми штангами (9) - 4 шт., а к штангам жестко крепятся шарообразные поршни (Фиг. №1; 2; 3; 4) (6-1.1; 6-1.2; 6-2.1; 6-2.2)
05.2 Описание работы двигателя
05.2.1 На Фигуре №1 - сплошными линиями показана первая стадия положения цилиндров, поршней и ПК, что соответствует их плановому расположению на Фигуре N3. Рабочая смесь в цилиндре (5-1.1) сжата поршнем (6-1.1).
05.2.2 В момент смещения ПК в сторону перемещения (Фиг. №1) (35) (при образовании зазора между осью цилиндра и вертикальной осью проходящей через центр ПК), подается искра на свечу внутри цилиндра, происходит воспламенение рабочей смеси и выталкивание поршня из цилиндра (5-1.1). Усилие выталкивания поршня (6-1.1) передается через штангу (9) и шатун (8) на шарнирное соединение (петли-проушины) (13), закрепленное на диске синхронизатора (7-1), диск синхронизатора под действием этого усилия поворачивается вокруг оси коромысла (ось X на Фигуре №3). Вращение передается на ПК (3-1) через соединительный элемент (10-1). ПК при вращении перекатывается по зубчатой насечке (27) направляющ, диска (4) и перемещается поступательно по окружности направляющего диска по оси (12), вращая центральный вал (1), за счет коромысла (2-1), соединяющего ПК с валом, (см. Фиг №2; 3 и 4).
05.2.3 Одновременно с рабочим движением поршня (6-1.1) в цилиндре (5-1.1), происходит движение второго перекаточного круга (3-2), за счет жесткого соединения коромыслами (2-1 и 2-2) с первым ПК (3-1). Ко второму ПК через синхронизатор (7-2) подсоединены два поршня (6-2.1 и 6-2.2). Поршни на 2-м ПК закреплены на диске синхронизатора со смещением на 90 градусов по сравнению с креплением поршней на первом ПК. Поэтому под действием силы выталкивания поршня (6-1.1) из цилиндра (5-1.1) происходит сжатие рабочей смеси поршнем (6-2.2) в цилиндре (5-2.3). При этом поршни первого блока (ПК, синхронизатор, поршни с шарнирами и возвратными пружинами) поочередно попадают в цилиндры 5-1.1; 5-1.2; 5-1.3; 5-1.4, а поршни второго (противоположного) блока попадают в цилиндры 5-2.1; 5-2.2; 5-2.3; 5-2.4. (см. Фиг. №4)
05.2.4 В процессе выталкивания поршня из цилиндра (в пределах зоны сжатия) и вращательно-поступательного смещения ПК, происходит поворот оси шатуна (штанги) поршня в трехмерном направлении. От стадии №1 до стадии №3 точка центра шарнирного соединения (точка «А» или «Б» Фиг. №1) перемещается по траектории трохоиды (Фиг №1) (41).
Наклон оси шатуна (17-1.2) на Стадии №2 при входе поршня в цилиндр по отношению к предыдущему положению оси шатуна (при выходе из цилиндра) (Фигура №1) (40) меняется на величину N градусов (Фиг. №1) (42), а угол наклона оси шатуна по отношению к плоскости параллельной плоскости ПК меняется на величину М градусов (Фиг. №2;3;4).
05.2.5 Угол М меняется только во время прохождения поршня внутри цилиндра, а перед входом и при выходе из горловины цилиндра этот угол остается постоянным и фиксируется с помощью возвратной пружины (20) и направляющей упорной пластины (21). Поворот шатуна (8-1.1), при движении поршня внутри цилиндра, приводит к соответствующему повороту синхронизирующих шестерней (п. 14.1.1; 14.1.2; и 14.2), за счет которых, поворачивается на такой же угол шатун (п. 8-1.2) и в момент выхода поршня (6-1.1) из цилиндра (5-1.1), поршень (6-1.2) попадает в горловину следующего цилиндра (5-1.2), что показано пунктирными линиями с тремя точками в промежутках Фигура №1 (вторая стадия).
05.2.6 На второй стадии (Фигура №1 и №4) происходит подача рабочей смеси в цилиндр (5-1.2), а в цилиндре (5-2.3) смесь сжата и срабатывает зажигание, после чего поршень (6-2.2) из цилиндра (5-2.3) выталкивается, ПК (3-1) перекатывается, вращая центральный вал и перекатывает ПК (3-2) (за счет коромыслов 2-1 и 2-2), а поршень (6-1.2) начинает сжатие рабочей смеси в цилиндре (5-1.2).
05.2.7 На 3-ей стадии- в цилиндре (5-1.2) рабочая смесь сжата поршнем (6-1.2) (Фиг. №1 - линия из точек), перемещение поршней, шатунов, шестерней синхронизатора, ПК и других двигающихся элементов двигателя происходят аналогично первой стадии.
05.2.8 В процессе работы двигателя, ударные нагрузки от поршней, вытакиваемых из цилиндров, воспринимаются опорным диском (19), по которому катятся опорные ролики (18) закрепленные проушинами (25) к коромыслам (2-1 и 2-2)