ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Описание полезной модели
МПК F02B 1/00
F02B 1/12
F02B 1/14
F02B 55/00
Двигатель внутреннего сгорания
Область техники
Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении, производстве силовых установок и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания.
Уровень техники
Наиболее близким техническим решением (прототип) является роторно-лопастный двигатель (патент РФ № 2491432, дата приоритета 15.09.2011). Двигатель состоит из частей, разделённых между собой параллельными друг другу внутренними боковыми крышками, имеющими отверстия для валов ротора и запорных барабанов, а также отверстия для перепуска между частями двигателя сжатой топливной смеси и горящих рабочих газов.
В первой части происходят процессы впуска и сжатия топливной смеси, расширения и выпуска рабочих газов. В первой части двигателя расположен ротор. Ротор оснащён лопастями. С двух сторон от ротора расположены запорные барабаны с выточками для прохождения лопастей ротора. В стенках корпуса или боковых крышках, максимально близко к одному из запорных барабанов и по разные стороны от него предусмотрены два отверстия: для впуска топливной смеси и для выпуска отработавших газов. Также одна из крышек имеет два перепускных отверстия. Через одно из отверстий выводится сжатая до необходимого давления топливная смесь, второе служит для поступления горящих рабочих газов.
Вторая часть выполняет функцию газораспределительного механизма и представляет собой полый корпус, предназначенный для размещения внутри него диска газораспределения, жёстко закреплённого на валу ротора и вращающегося с одинаковой с ротором скоростью. На диске имеются четыре прорези в форме дуг: две обеспечивают перепуск топливной смеси, вторые две обеспечивают перепуск рабочих газов.
Третья часть представляет собой полый корпус для размещения в нём камеры сгорания. Корпус также ограничен боковыми крышками, одна из которых имеет два перепускных отверстия: для топливной смеси и для рабочих газов, совпадающих по расположению с перепускными отверстиями боковых крышек первой части и второй 5части двигателя.
Недостатком известного технического решения является малая производительность двигателя. Это связано с тем, что в устройстве присутствует только один рабочий диск (ротор), а другие два диска выполняют функцию запорных элементов. Кроме того, недостатком известного технического решения является сложная конструкция двигателя. Это связано с тем, что двигатель состоит из трёх частей, каждая из которых выполняет определённую функцию. При этом увеличивается число требуемых деталей, стоимость насоса и время изготовления, так как при сборке двигателя необходимо синхронизировать вращение не только ротора и двух запорных барабанов, но и диска газораспределения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение производительности (мощности), так как оба присутствующих в двигателе диска выполняют (совмещают) функции рабочих дисков и запорных элементов. Следовательно, при использовании двух дисков количество рабочих объёмов увеличивается. Кроме того, техническим результатом является упрощение конструкции (её элементов) и, как следствие, уменьшение стоимости и времени изготовления.
Поставленный технический результат достигается за счёт того, в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, в котором размещены первый диск, второй диск, вал, центральный элемент и стержень, причём первый диск ограничен первой боковой поверхностью и второй боковой поверхностью, расположенными параллельно друг другу, и первым внешним краем, в первом диске расположено осевое отверстие, первый диск снабжён по крайней мере одним первым рабочим выступом, каждый первый рабочий выступ образован за счёт выполнения со стороны осевого отверстия соответствующего выреза в сторону первого внешнего края с образованием у первого рабочего выступа первого торца и второго торца, первый диск по первому внешнему краю снабжён соответствующими зубьями, образующими первое зубчатое колесо, второй диск ограничен третьей боковой поверхностью и четвертой боковой поверхностью, расположенными параллельно друг другу, и вторым внешним краем, во втором диске соосно второму диску выполнено центральное отверстие и со стороны третьей боковой поверхности - центральное углубление с соответствующими зубьями, образующими второе зубчатое колесо, второй диск снабжён центральной втулкой, расположенной соосно второму диску и центральному отверстию в центральном углублении, и по крайней мере одним вторым рабочим выступом, выступающим вовне в плоскости второго диска, каждый из вторых рабочих выступов снабжён третьим торцом и четвёртым торцом, вал установлен в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси и снабжён третьим зубчатым колесом и четвёртым зубчатым колесом, жёстко закреплёнными на валу, первое зубчатое колесо и четвёртое зубчатое колесо установлены с обеспечением возможности передачи вращения с одного на другое, второе зубчатое колесо и третье зубчатое колесо установлены с обеспечением возможности передачи вращения с одного на другое, центральный элемент выполнен состоящим из первой части и второй части, первая часть и вторая часть размещены с противоположных сторон от второго диска и соединены с ним и друг с другом посредством стержня, пропущенного через центральное отверстие и втулку, первая часть и вторая часть по крайней мере частью поверхностей, обращённых друг к другу, контактирует со вторым диском, с возможностью вращения второго диска относительно центрального элемента, первый диск и второй диск расположены ортогонально друг другу, при этом выполнение и размещение первого диска, второго диска, вала с третьим зубчатым колесом и четвёртым зубчатым колесом, центрального элемента осуществлено с обеспечением возможности вращательного движения первого диска и второго диска относительно друг друга, а, кроме того, относительно корпуса с одинаковой угловой скоростью, при этом первые рабочие выступы поверхностями, обращёнными к центру первого диска, в процессе вращения первого диска относительно центрального элемента контактируют с центральным элементом, в корпусе выполнено по крайней мере одно входное отверстие и по крайней мере одно выходное отверстие, расположенные с обеспечением возможности впуска топливовоздушной смеси и выпуска отработавших газов соответственно.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами (фиг. 1-4), где на фиг. 1 показано взаимное расположение основных элементов устройства, на фиг. 2 показано первое сечение устройства, на фиг. 3 показано второе сечение устройства, на фиг. 4 показан общий вид двигателя, на фиг. 5 показано взаимное расположение основных элементов при альтернативной конструкции, на фиг. 6 показано первое сечение устройства с альтернативной конструкцией, на фиг. 7 показано второе сечение устройства с альтернативной конструкцией.
Раскрытие полезной модели
На фигурах обозначены: первый диск 1, второй рабочий выступ 2, второй диск 3, второй внешний край 4, первый рабочий выступ 5, вторая внутренняя поверхность 6, первая внутренняя поверхность 7, осевое отверстие 8, вырез 9, центральное отверстие 10, центральное углубление 11, первый внешний край 12, выпускное отверстие 13, впускной отверстие 14, третий торец 15, третий рабочий объём 16, первая боковая поверхность 17, вторая боковая поверхность 18, четвёртый рабочий объём 19, четвёртый торец 20, третья боковая поверхность 21, четвёртая боковая поверхность 22, центральная втулка 23,  первое углубление 24, второй рабочий объём 25, стержень 26, второй торец 27, первая часть 28 (центрального элемента), вторая часть 29 (центрального элемента), первый торец 30, первый рабочий объём 31, второе углубление 32, первое зубчатое колесо 33, второе зубчатое колесо 34, третье зубчатое колесо, корпус 35, корпус 36, четвёртое зубчатое колесо 37, вал 38, кольцевой элемент 39.
Основными элементами устройства являются первый диск 1, второй диск 3, корпус 36, вал 38, система подачи топливной смеси (на фигурах не отображена) и система зажигания (на фигурах не отображена).
Первый диск 1 выполнен по форме прямого кругового цилиндра, при этом высота цилиндра значительно меньше, чем его диаметр. Первый диск 1 образован первой боковой поверхностью 17 и второй боковой поверхностью 18, которые расположены параллельно друг другу, и соединяющим их между собой с внешней стороны первым внешним краем 12. Первый внешний край 12 имеет форму части цилиндрической поверхности. Здесь и далее под цилиндрической поверхностью понимаем поверхность, выполненную в виде боковой поверхности кругового цилиндра.
На первом внешнем крае 12 расположены соответствующие зубья, предназначенные для осуществления зубчатой передачи с внешним зацеплением. Все зубья, расположенные на первом внешнем крае 12, образуют первое зубчатое колесо 33, которое в частом случае выполнено коническим. При этом здесь и далее под термином соответствующие зубья понимаем зубья, образующие данный элемент.
В первом диске 1 выполнено осевое отверстие 8. Осевое отверстие 8 представляет собой внутреннюю сквозную пустоту согласно определению, приведённому, например, в Идеографическом словаре русского языка, http://ideographic.academic.ru/980/отверстие, дата обращения 03.02.2015г. Ось осевого отверстия 8 и первого диска 1 совпадают. В осевом отверстии 8 сделан один или более вырез 9 в сторону от оси. Вырезами 9 образованы один (или более) первый рабочий выступ 5. Первый рабочий выступ 5 представляет собой часть первого диска 1, выступающую в сторону осевого отверстия 8, в сторону центра первого диска 1. Первый рабочий выступ 5 ограничен со стороны центра первого диска 1 второй внутренней поверхностью 6, имеющей форму цилиндрической поверхности или сферической поверхности, а также первым торцом 30 и вторым торцом 27. Первый торец 30 и второй торец 27 могут быть расположены в одной плоскости, параллельной оси первого диска 1, если в первом диске 1 выполнен один первый рабочий выступ 5. Также первый торец 30 и второй торец 27 могут находиться каждый в различных плоскостях, параллельных оси первого диска 1, если в первом диске 1 выполнено несколько первых рабочих выступов 5. Вырез 9 ограничен первым торцом 30, вторым торцом 27 и первой внутренней поверхностью 7.
Второй диск 3 выполнен по форме прямого кругового цилиндра, при этом высота цилиндра значительно меньше, чем его диаметр. Второй диск 3 образован третьей боковой поверхностью 21, четвёртой боковой поверхностью 22, которые расположены параллельно друг другу, и соединяющим их между собой с внешней стороны вторым внешним краем 4. На втором диске 3 выполнены один или более второй рабочий выступ 2, центральное отверстие 10 и центральное углубление 11.
Каждый второй рабочий выступ 2 ограничен вторым внешним краем 4, третьим торцом 15 и четвёртым торцом 20. Третий торец 15 и четвёртый торец 20 могут быть расположены в одной плоскости, параллельной оси второго диска 3, если во втором диске 3 выполнен один второй рабочий выступ 2. Также третий торец 15 и четвёртый торец 20 расположены в различных плоскостях, параллельных оси второго диска 3, если во втором диске 3 выполнено несколько вторых рабочих выступов 2. Внешний диаметр второго рабочего выступа 2 равен диаметру выреза 9 первого диска 1. Диаметр второго диска 3 в местах, не содержащих вторых рабочих выступов 2, равен диаметру осевого отверстия 8 первого диска 1. Во втором диске 3, соосно второму диску 3, выполнено центральное отверстие 10. Во втором диске 3, соосно второму диску 3, выполнено центральное углубление 11. Центральное углубление 11 выполнено со второй внутренней поверхностью 6, имеющей форму цилиндрической поверхности. Центральное углубление 11 может быть выполнено в форме кольцевого паза, тогда центральным углублением 11 и центральным отверстием 10 будет образована центральная втулка 23. Центральное отверстие 10 выполнено круглым (круглое отверстие - отверстие, которое в сечении, ортогональном оси, имеет форму круга). На второй внутренней поверхности 6 расположены соответствующие зубья, предназначенные для осуществления зубчатой передачи с внутренним зацеплением. Все зубья, расположенные на второй внутренней поверхности 6, образуют второе зубчатое колесо 34, которое может быть выполнено цилиндрическим или коническим. Высота центральной втулки 23 в частном случае равна толщине второго диска 3 (т.е. его размеру по оси).
Первый диск 1 и второй диск 3 расположены в корпусе 36. Первый диск 1 и второй диск 3 расположены таким образом, что оси первого диска 1 и второго диска 3 пересекаются и расположены перпендикулярно друг другу. Первый диск 1 и второй диск 3 установлены в корпусе 36 с обеспечением возможности вращения вокруг своих осей.
Корпус 36 имеет сложную форму, обеспечивающую герметичность внутренних полостей, образованных внутри корпуса 36 между элементами двигателя. Стенки корпуса 36 плотно прилегают к первому диску 1 и второму диску 3. Корпус 36 снабжён кольцевым элементом 39, расположенным со стороны второго внешнего края 4 второго диска 3. При этом внутренний диаметр кольцевого элемента 39 равен наибольшему диаметру второго диска 3, а толщина кольцевого элемента 39 равна толщине второго диска 3. При этом допускаются отклонения, разрешённые для соблюдения условия герметичности данного типа устройств. Кольцевой элемент 39 состоит из двух частей, расположенных с противоположных сторон от первого диска 1.
В корпусе выполнены выпускные отверстия 13 и впускные отверстия 14. Впускные отверстия 14 необходимы для впуска топливной смеси. Выпускные 13 отверстия необходимы для выпуска отработанных газов. При этом каждое впускное отверстие 14 снабжено устройством перекрытия (на фиг. не отображены), которое автоматически перекрывает соответствующее впускное отверстие 14 после впуска топливной смеси.
Кроме того, устройство выполнено с обеспечением возможности самовоспламенения горючей смеси или в него введено средство для её воспламенения. В случае введения средства воспламенения в качестве средства воспламенения может быть использована система зажигания, расположенная в корпусе, которая вырабатывает искру в местах впуска топливной смеси и поджигает топливную смесь.
Для фиксации первого диска и второго диска выполнен центральный элемент. Центральный элемент представляет собой (по форме) диск, имеющий две параллельные плоскости, расстояние между которыми равно толщине первого диска 1, и боковую поверхность, обычно, выполненную сферической. Центральный элемент разделён на две равные части таким образом, что первая часть 28 центрального элемента и вторая часть 29 центрального элемента представляют собой одинаковые сегменты диска, имеющие каждый две параллельные плоскости и боковую поверхность, состоящую из сферической поверхности и прямолинейного края. Прямолинейный край представляет собой плоскость, параллельную оси центрального элемента (и содержащую в себе хорду вышеуказанного сегмента диска). Прямолинейный край первой части 28 центрального элемента и прямолинейный край второй части 29 центрального элемента расположены параллельно друг другу и на расстоянии равном толщине второго диска 3 друг от друга. Первая часть 28 центрального элемента и вторая часть 29 центрального элемента закреплены в корпусе с противоположных сторон второго диска 3. В первой части 28 центрального элемента в центре её прямолинейного края выполнено первое углубление 24 соосное центральной втулке 23. Во второй части 29 центрального элемента в центре её прямолинейного края выполнено второе углубление 32 соосное центральной втулке 23.
Второй диск 3 соединён с первой частью 28 центрального элемента и второй частью 29 центрального элемента посредством стержня 26 с круглым поперечным сечением, вставленным в центральную втулку 23. Свободные концы стержня 26 вставлены в первое углубление 24 и второе углубление 32, расположенные соответственно в первой части 28 центрального элемента и второй части 29 центрального элемента. Такое соединение обеспечивает возможность вращения второго диска 3 вокруг своей оси, а также относительно первой части 28 центрального элемента, второй части 29 центрального элемента и предотвращает смещение второго диска 3.
При данной конструкции двигатель обладает несколькими замкнутыми рабочими объёмами, которые выполнены с обеспечением возможности сгорания внутри каждого из них топливовоздушной смеси. Рабочие объёмы выполнены с обеспечением возможности последовательно возникать, увеличиваться, уменьшаться и исчезать при взаимном вращении первого диска 1 и второго диска 3. Рабочие объёмы расположены между соответствующими торцами первого рабочего выступа 5, стенками корпуса 36, поверхностями центрального элемента, и поверхностями второго диска 3, а также между соответствующими торцами второго рабочего выступа 2, стенками корпуса 36 и поверхностями первого диска 1. Первый рабочий объем 31 образован первым торцом 30, третьей боковой поверхностью 21 и соответствующими стенками корпуса 35, второй рабочий объем 25 образован вторым торцом 27, четвертой боковой поверхностью 22 и соответствующими стенками корпуса 36, третий рабочий объем 16 образован третьим торцом 15, первой боковой поверхностью 17 и соответствующими стенками корпуса 36, четвёртый рабочий объем 19 образован четвертым торцом 20, второй боковой поверхностью 18 и соответствующими стенками корпуса 36.
Для передачи крутящего момента с первого диска 1 и второго диска 3 на внешнее устройство в двигателе размещён вал 38. Вал 38 зафиксирован в корпусе 36 устройства (например, посредством выполнения в корпусе 36 специальных отверстий, в которые вставлен вал 38 или любых иных креплений, предотвращающих смещение вала 38). Передача крутящего момента с первого диска 1 и второго диска 3 на вал 38 происходит посредством зубчатых передач. Для этого на противоположных концах вала 38 жёстко закреплены третье зубчатое колесо 35 и четвёртое зубчатое колесо 37. Третье зубчатое колесо 35 предназначено для передачи крутящего момента со второго диска 3 на вал 38. Четвёртое зубчатое колесо 37 предназначено для передачи крутящего момента с первого диска 1 на вал 38.
Осуществление полезной модели
Полезная модель реализуется следующим образом. Изготавливают первый диск 1, второй диск 3, корпус 36, первую часть центрального элемента 28, вторую часть центрального элемента 29, вал 38 с третьим зубчатым колесом 35 и четвертым зубчатым колесом 37, систему подачи топливной смеси и систему зажигания. Второй диск 3 соединяют с первой частью центрального элемента 28 и со второй частью центрального элемента 29 при помощи стержня 26, посредством центральной втулки 23. На первую часть центрального элемента 28 и вторую часть центрального элемента 29 устанавливают первый диск 1. Вал 38 с расположенными на нём третьим зубчатым колесом 35 и четвертым зубчатым колесом 37 соединяют с первым диском 1 и вторым диском 3 для обеспечения зубчатой передачи. Все элементы устройства располагают в корпусе 36.
Запуск устройства (например, при помощи стартера) обеспечивает начало вращения первого диска 1 и второго диска 3. Происходит впуск топливной смеси через впускные отверстия 14, поджог топливной смеси системой зажигания, включающей, например, свечи поджига и электронный блок, генерирующий возникновение искры в свечах. За счёт увеличения давления в соответствующих рабочих объёмах происходит вращение первого диска 1 и второго диска 3. Происходит выпуск отработанных газов через выпускные отверстия 13. Далее происходит начало нового цикла работы двигателя. Передача крутящего момента с первого диска 1 и второго диска 3 на внешнее устройство происходит при помощи вала 38.
В случае, если первый диск 1 имеет один первый рабочий выступ 5 и второй диск 3 имеет один второй рабочий выступ 2, то цикл работы двигателя выглядит следующим образом. Двигатель в данном случае обладает четырьмя рабочими объёмами. Величина двух рабочих объёма (первый рабочий объём 31 и второй рабочий объём 25) зависит от поворота первого диска 1 и расположены соответственно один (первый рабочий объём 31) между первым торцом 30, третьей боковой поверхность 21, стенками корпуса 36 и сферической поверхностью центрального элемента, и второй (второй рабочий объём 25) между вторым торцом 27, четвёртой боковой поверхностью 22, стенками корпуса 36 и сферической поверхностью центрального элемента. Два других рабочих объёма (третий рабочий объём 16 и четвёртый рабочий объём 19) зависят от поворота второго диска 3 и расположены соответственно один (третий рабочий объём 16) между третьим торцом 15, первой боковой поверхность 17 и стенками корпуса 36, и второй (четвёртый рабочий объём 19) между четвёртым торцом 20, второй боковой поверхностью 18 и стенками корпуса 36. Один из рабочих объёмов (первый рабочий объём 31 или второй рабочий объём 25), зависящих от поворота первого диска 1, увеличивается при поступлении и сгорании в нём топлива, поступающего через впускное отверстие 14, в то время как другой рабочий объём (соответственно, второй рабочий объём 25 или первый рабочий объём 31), зависящий от поворота первого диска 1, уменьшается и его отработавшее топливо выходит через выпускное отверстие 13. Синхронно аналогичным образом происходит работа двух других рабочих объёмов (третий рабочий объём 16 и четвёртый рабочий объём 19), зависящих от поворота второго диска 3. Синхронность работы цикла обеспечивают за счёт зубчатых передач между первым зубчатым колесом 33 и четвёртым зубчатым колесом 37, а также между вторым зубчатым колесом 34 и третьим зубчатым колесом 35. За счёт подбора одинакового передаточного отношения в указанных парах зубчатых колёс достигается необходимая одинаковая угловая скорость вращения первого диска 1 и второго диска 3.
При взаимном вращении первого диска 1 и второго диска 3 необходимо, чтобы обеспечивалась возможность прохождения первого рабочего выступа 5 через плоскость второго диска 3 в той её части, где нет второго рабочего выступа 2, а также прохождения второго рабочего выступа 2 через плоскость первого диска 1 в той её части где нет первого рабочего выступа 5. Относительное положение первого диска 1 и второго диска 3 в некоторый момент времени такого, что первый торец 30 принимает положение совпадающее с третьей боковой поверхностью 21, а четвёртый торец  20 принимает положение совпадающее с первой боковой поверхностью 17. В данный момент времени первый рабочий объём 31 принимает своё минимальное значение (исчезает), а второй рабочий объём 25 принимает своё максимальное значение, занимая всё пространство между первым торцом 30 и вторым торцом 27. Также в данный момент времени третий рабочий объём 16 принимает своё минимальное значение (исчезает), а четвёртый рабочий объём 19 принимает своё максимальное значение, занимая пространство всё пространство между третьим торцом и 15 и четвёртым торцом 20.
В случае выполнения первого диска 1 и второго диска 3 соответственно с несколькими первыми рабочими выступами 5 и вторыми рабочими выступами 2, число рабочих объёмов увеличивается кратно числу первых рабочих выступов 5 или вторых рабочих выступов 2 (число первых рабочих выступов 5 равно числу вторых рабочих выступов 2). В данном случае цикл работы будет усложнён введением дополнительных впускных отверстий 14 и выпускных отверстий 13 и работе дополнительных пар рабочих объёмов. Каждому дополнительному первому рабочему выступу 5 или второму рабочему выступу 2 будет соответствовать пара дополнительных рабочих объёмов. Данная пара рабочих объёмов будет работать в течении цикла аналогично паре рабочих объёмов, описанных для случая с одним первым рабочим выступом 5 и вторым рабочим выступом 2.
Таким образом данное техническое решение позволяет увеличить удельную производительность (мощность), так как оба присутствующих в двигателе диска выполняют (совмещают) функции рабочих дисков и запорных элементов, т.е. при использовании двух дисков количество рабочих объёмов на единицу объёма двигателя увеличивается. Кроме того, техническим результатом является упрощение конструкции (её элементов) поскольку не требуется точная подгонка элементов со сложными поверхностями друг к другу, при том, что эти элементы работают при повышенном давлении и температуре. Как следствие, достигается уменьшение стоимости и времени изготовления устройства.