Шаровой двигатель внутреннего сгорания
SPHERICAL INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям с качающимися поршнями.
Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания весьма совершенны, о чем свидетельствуют высокие значения относительных КПД, достигающих 85-90%. Существенным недостатком является процесс преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Наличие сложного кривошипно-шатунного механизма, включающего цилиндры, поршни, шатуны, коленчатый вал приводит к усложнению конструкции, увеличению массы и объема двигателей. Данную проблему пытались решить авторы технических решений по патентам: RU 2518793 С2, RU 2247248 С2, RU 2267614 С1.
Однако авторы только усложнили конструкцию двигателей с качающимися рабочими органами, в основном путем создания дополнительных систем обеспечения вращения коленчатого вала, встраивая в ротор-поршень дополнительные механизмы, из-за чего увеличивалась масса и габариты, что в итоге приводило к неработоспособности двигателей.
Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем патент [DE 3811760 С1, МПК F02B 53/00 (2006.01); F01C 9/00 (2006.01), опубл. 01.06.1989], основной недостаток которого неуравновешенность и неэффективность кинематической схемы преобразования движений качающегося ротора-поршня во вращательное коленвала.
Известен ДВС с качающимся ротором-поршнем, жестко закрепленным на входном качающемся валу и кинематически связанным с вращающимся выходным валом кривошипно-шатунного механизма [DE 3725277 А1, МПК F01C 9/00, F02B 53/00 (2006.01), опубл. 09.02.1989].
Недостатком известного ДВС является сложная конструкция ротора-поршня, содержащая систему валов с шатунно-кривошипным механизмом привода, увеличивающим габариты, вес и, как следствие, уменьшение удельной мощности и надежности при эксплуатации.
Известен двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем, содержащий корпус со свечами зажигания и минимум как с двумя радиальными перегородками, боковые крышки, минимум как двухлопастной ротор-поршень, имеющий ступицу с выемками, образующими с радиальными перегородками корпуса каналы для перепуска рабочей смеси, а с лопастями ротора-поршня - камеры нагнетателей и рабочие камеры сгорания с окнами для впуска рабочей смеси и выпуска отработавших газов, а также выходной вращающийся вал [RU 2528241 С2, МПК F02B 55/02 (2006.01), опубл. 10.09.2014]. Двигатель содержит стационарно установленную в центральных опорах боковых крышек опорную ось качающегося на ней ротора-поршня, в полости которого размещено устройство, выполненное подвижно с ползуном, качающимся на кривошипной шейке выходного вращающегося коленчатого вала, установленного в коренных подшипниковых опорах, смещенных относительно центральных опор боковых крышек в пределах качающегося ротора-поршня в виде кривошипно-кулисного механизма с кулисным пазом, расположенным в области ступицы качающегося ротора-поршня, сопряженным, техническое решение направлено на упрощение конструкции двигателя, снижение веса и повышение надежности эксплуатации.
К недостатку известного ДВС с качающимся ротором-поршнем является сложная конструкция ротора-поршня, содержащая систему кулис, ползун ступицу, коленчатый вал с шатуном. В результате намного усложняется кинематическая схема, увеличиваются габариты, вес и снижается надежность эксплуатации.
Технической проблемой, на решение которой осуществляется при использовании ДВС, является увеличение мощности, уменьшение габаритов и повышение надежности.
Поставленная проблема решается за счет достижения технического результата, который заключается в упрощении конструкции шарового двигателя за счет применения другой кинематической схемы преобразования качающегося на валу круглого дискового поршня в двух полусферах шарового корпуса, во вращательное движение маховика и, как следствие, многократное увеличение мощности, уменьшение массы и габаритов шарового двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в четырехтактном шаровом двигателе содержится четыре сектора-камеры которые образуют круглый дисковый поршень в двух полусферах совместно с отсекающими пластинами шарового корпуса. В оставшихся двух шаровых секторах располагаются механизмы газораспределения и зажигания. Вал дискового поршня через дугу с шаровым пальцем на вершине соединен с шаровым пальцем вогнутого маховика путем сферической кривой. Все вышеперечисленное позволяет дважды преобразовывать энергию сгоревших газов: первое - колебательное движение диска поршня во вращательное его вала, второе - колебательно-поступательное движение сферической кривой во вращательное движение маховика.
Новым в двигателе является изготовление корпуса двигателя в виде шара, поршня в виде круглого диска, и кинематической схемы преобразования маятникового движения круглого дискового поршня вокруг своей оси во вращательное движение маховика. Предлагаемый четырехтактный шаровой двигатель работает точно так же, как и четырехтактный поршневой ДВС с кривошипно-шатунным механизмом. Круглый дисковый поршень перемещается в двух шаровых -полусферах от (определять по маховику) верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Колебания круглого дискового поршня в секторе от одного крайнего положения в другое называется тактом. В предполагаемом четырехтактном, четырехсекторном шаровом ДВС, все четыре такта совершаются за один оборот маховика, как в двухтактных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом. В четырехтактных поршневых ДВС с КШМ за два оборота коленчатого вала (маховика) происходят четыре такта, то есть мощность предполагаемого шарового двигателя будет как минимум в два раза больше. Можно выпускать как короткоходовые, так и длинноходовые шаровые ДВС.
Предлагаемый шаровой ДВС показан на чертежах, где:
на фиг. 1 показан общий вид двигателя сбоку,
на фиг. 2 - поперечный разрез ДВС по А-А,
на фиг. 3 - общий вид ДВС сверху,
на фиг. 4 - общий вид ДВС по Б-Б продольный разрез,
на фиг. 5, 6, 7, 8 показан принцип работы шарового ДВС, стрелками показаны направления движения горючей смеси и отработанных газов, а стрелкой над шаром - движение круглого дискового поршня.
Четырехтактный шаровой двигатель внутреннего сгорания содержит шаровой корпус 1 (шар), поделенный на сектора А, Б, В, Г, круглый дискообразный (дисковой) поршень 2 и выполненную заодно с поршнем 2 дугу 3 с шаровым пальцем на вершине. Сферическая кривая 4 соединяет вогнутый маховик 5 через шаровые пальцы с дугой 3. Отсекающие пластины 10 шара 1 уплотнены компрессионными кольцами 8 и делят объем шара 1 на четыре сектора (камеры), выполняющие роль цилиндров. Клапаны 6 служат для подвода в сектора (камеры) горючей смеси или воздуха при непосредственном впрыске топлива и отвода выхлопных газов. Вал круглого дискового поршня 2 вращается в подшипниках 9 (например, скольжения). Круглый дисковый поршень 2 уплотнен компрессионными и маслосъемными кольцами 7. Система зажигания включает свечи, соединенные с генератором (на фиг. не показано).
Четырехтактный шаровой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
При сгорании горючей смеси в камере сгорания сектора А (фиг. 5) круглый дисковый поршень 2 за счет давления сгорающих газов начинает вращаться в подшипниках 9. При этом соединенная жестко с ним дуга 3 через два шаровых пальца и сферическую кривую 4 приводит во вращательное движение маховик 5. В секторе Б открываются выпускные клапана и начинается выпуск отработанных газов. В секторе В открываются впускные клапаны, а в секторе Г происходит такт сжатия горючей смеси. На фиг. 6 показано промежуточное положение круглого дискового поршня 2. В секторе А продолжается сгорание горючей смеси и движение круглого дискового поршня 2 вокруг оси, в секторе Б происходит выпуск сгоревшей смеси, а в секторе В - впуск и сжатие в секторе Г. На фиг. 7 отображено нахождение круглого дискового поршня 2 условно в нижней мертвой точке (НМТ) вместе со сферической кривой 4 и маховиком 5, постоянно вращающимся в одном направлении. В секторе Б происходит впуск горючей смеси и круглый дисковый поршень 2 начинает двигаться в другую сторону (против часовой стрелки) под действием сгорающих газов в секторе Г. В секторе А происходит выпуск отработавших газов. Дуга 3 вместе со сферической кривой 4 продолжает через шаровые пальцы вращать маховик 5 по часовой стрелке. В секторе В происходит сжатие горючей смеси (фиг. 8), промежуточное положение движения диска-поршня 2 в верхнюю мертвую точку (ВМТ). В секторе А продолжается выпуск горючей смеси, в секторе Б - впуск свежей смеси или воздуха в дизелях, в секторе Г - рабочий ход и в секторе В - сжатие. В результате маховик 5 совершил полный оборот вокруг своей оси и вернулся в положение, изображенное на фиг. 5, в верхнюю мертвую точку. Далее осуществляется следующая последовательность процессов в секторах шарового двигателя: сектор В - рабочий ход, сектор Г - выпуск, сектор Б - сжатие, сектор А - впуск и маховик 5 совершает половину оборота вокруг своей оси. Затем происходят следующие такты в процессе вращения маховика 5: сектор В - выпуск, сектор Г - впуск, сектор Б - рабочий ход и сектор А - сжатие. В результате маховик 5 совершил полный оборот вокруг своей оси. То есть за два оборота маховика 5 в шаровом четырехтактном двигателе происходит два полных цикла, а в существующих четырехтактных ДВС с кривошипно-шатунным механизмом только один полный цикл (рабочий ход, выпуск, впуск и сжатие). Следовательно, в заявленном техническом решении обеспечивается как минимум двукратное увеличение мощности шарового ДВС.
Предлагаемый силовой механизм дает возможность применять подшипники качения или скольжения, смазываемые под давлением, и применять эффективную систему охлаждения поршня с принудительной циркуляцией масла по замкнутому контуру. Заявляемый шаровой двигатель можно применять для компрессоров, насосов и других поршневых машин.