ОДНОЦИЛИНДРОВЫЙ МНОГОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ТОР БЛАТОВА)
SINGLE-CYLINDER MULTI-PISTON ICE (BLATOV'S TORUS)

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен роторный двигатель (RU, пат. №2268368 F01С 1/077, 2006), с блоком тороидальных цилиндров и блоком тороидальных поршней, имеющих возможность совершать возвратно-поступательное движение внутри цилиндров и вращаться в одну сторону с блоком цилиндров от пары некруглых шестерен. К недостаткам двигателя можно отнести вращение цилиндрового блока, кроме вращения поршней, наличие обгонной муфты, использование некруглых шестерен в узле синхронизации движения цилиндров и поршней и резкие изменения угловых скоростей шестерен и соответственно инерционных нагрузок в приводимых ими устройствах.
Известен роторный двигатель (RU, пат. №2042037 6 F02В 53/00, 1995), с кольцеобразным тороидальным цилиндром, разделенным подпружиненными заслонками с поворотными рычагами управления, дисковым ротором с поршнями и каналами подвода рабочего тела к средствам его впрыска на днищах поршней. Рабочим телом могут быть пар, сжатый воздух, продукты сгорания топлива. При всей простоте кинематической схемы двигателя в конструкции имеется ряд существенных недостатков, ограничивающих область его применения. Заслонки, пружины, рычаги с возвратно-поступательным движением и привод их от поршня требуют определенного пространства для своего размещения и только по этому уже ограничивают возможности по увеличению количества поршней на одном роторе. Кроме того, рост количества этих механизмов снижает надежность работы двигателя. Для повышения крутящего момента на валу двигателя и наращивании его мощности необходима установка дополнительных роторов. Двигатель имеет сложную систему подвода рабочего тела в рабочую камеру через движущиеся элементы конструкции.
Наиболее близкой к изобретению по устройству и кинематической схеме является объемная машина (RU, пат. №2084641 6 F01С 9/00, F03С 4/00, 1997) при работе ее в режиме 4-тактного двигателя - прототип. Машина содержит цилиндрический корпус с крышками, с всасывающими и выхлопными окнами, соосные втулки с лопастными поршнями, установленные внутри корпуса с образованием рабочих камер, механизм синхронизации движения соосных втулок с поршнями, содержащий тяги, сателлит с диаметрально расположенными кривошипами, водило, жестко соединенное с выходным валом, и солнечное колесо, соединенное с крышкой. Механизм синхронизации размещен в полости втулок.
Недостатком прототипа является большая ширина и соответственно внешняя поверхность соосных втулок, в результате чего, при рабочем ходе, в полость рабочих втулок, через их наружные стенки, не имеющих охлаждения, проникает значительный тепловой поток, способный привести к нарушению теплового режима работы механизма синхронизации и его смазки.
Недостатком прототипа является длинный периметр уплотнения прямоугольных поршней и торцев соосных втулок. Уплотнение прямоугольных поршней в двигателях внутреннего сгорания более сложно и менее надежно, чем уплотнение круглых поршней обычными компрессионными кольцами.
Недостатком прототипа является то, что соосные втулки с лопастными поршнями, приводимые в движение диаметрально расположенными своими кривошипами через тяги, имеют колебательные движения относительно друг друга. При вращении вала двигателя они имеют разные ускорения при прохождении концов кривошипов через линии радиуса цилиндрического корпуса (один ближе к оси, другой - к втулке, что образует разные и противоположно направленные окружные скорости в точках соединения с тягами). Это вызывает ни чем не уравновешенные, инерционные колебательные нагрузки на движущиеся детали механизмов.
Недостатком прототипа является соединение солнечного колеса с неподвижной крышкой цилиндрического корпуса через неподвижный вал, соосный с выходным, что не позволяет сделать двухсторонний выход выходного вала. Это накладывает определенные ограничения на компановку и расположение внешних агрегатов, необходимых для работы двигателя.
В прототипе не определены базовые конструктивные элементы и их параметры для модификации мощностных характеристик двигателя на стадии его проектирования.
Предлагаемым изобретением решаются задачи:
повышения надежности работы двигателя, уменьшения числа механизмов синхронизации и, соответственно, поперечных габаритов двигателя, устройства двухстороннего выхода выходного вала, выделения базовых конструктивных элементов двигателя для модификации мощности и вращающего момента на выходном валу двигателя при его проектировании.
Поставленные задачи решаются тем, что одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания имеет тороидальный круговой цилиндр с окнами всасывания и выхлопа с охлаждаемой гильзой и два плавающих в ней кинематически связанных поршневых блока с образованием рабочих камер. Поршни представляют собой сегменты тора и уплотнены компрессионными кольцами, показавшими свою надежность в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Движения поршневых блоков выводятся в картер двигателя для связи с маховиком и механизмами синхронизации тонкими соединительными кольцами сквозь щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, что значительно снижает тепловой поток из рабочих камер в полость картера. Ведомый поршневой блок с помощью зубчатой полумуфты непосредственно соединен с маховиком двигателя и вращается с ним равномерно, что исключает необходимость в одном из диаметрально расположенных кривошипов прототипа. Соответственно упрощается и водило - в нем исключается один из двух выходов оси сателлита к кривошипам и стенка, содержащая этот выход. Функция водила возлагается на маховик, путем размещения в нем оставшейся оси кривошипа, что дополнительно позволяет сместить неподвижное зубчатое колесо (солнечное колесо) к стенке корпуса двигателя и соединить его непосредственно, без вала, с корпусом. Это открывает возможность для создания конструкции корпуса двигателя с двухсторонним выходом выходного вала.
2
1
1
2
Для изменения величины мощности и крутящего момента на выходном валу двигателя при его разработке или модификации задаются базовые характеристики двух элементов: число поршней в поршневом блоке - n; передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо - сателлит i=Z/Z, которое должно быть целым и четным, где Z - число зубьев сателлита, Z - число зубьев неподвижного зубчатого колеса.
G
S
1
Эти параметры определяют следующие характеристики двигателя: число групп окон всасывания - выхлопа W=i/2; число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно K=i/2; число рабочих ходов за один оборот выходного вала двигателя К=(i/2)*n.
Таким образом одноцилиндровый многопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий дискообразный охлаждаемый корпус, с боковыми крышками, с тороидальным круговым цилиндром с окнами всасывания и выхлопа, двумя блоками поршней, размещенных в цилиндре с образованием рабочих камер и возможностью вращения и колебания, кинематически связанных между собой посредством механизма синхронизации, включающего шатунно-кривошипные механизмы с сателлитами и неподвижным зубчатым колесом, непосредственно закрепленным на корпусе двигателя, вал двигателя имеет двухсторонний выход из корпуса двигателя, отличается тем, что окна выхлопа, имеющие форму продольных щелей в стенке цилиндра, на начальном участке имеют увеличенную площадь, ведомый и ведущий поршневые блоки выполнены плавающими в цилиндре без подшипниковых опор на вал двигателя или его корпус, поршни, круглые в своем поперечном сечении и уплотненные компрессионными кольцами, соединены в поршневые блоки с помощью тонких соединительных колец, которые выведены в картер двигателя через щель в охлаждаемой гильзе цилиндра, соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра и боковой поверхностью поршней, ведомый поршневой блок прямо соединен с маховиком своим соединительным кольцом через зубчатую полумуфту с бочкообразным зубом и вращается с ним равномерно, ведущий блок поршней через свое соединительное кольцо и шатуны связан со штырями кривошипов и совершает вращательно-колебательное движение, шатунно-кривошипные механизмы синхронизации равномерно расположены на орбите своего движения в картере двигателя, симметрично относительно оси выходного вала, а движения их элементов оппозитны, валы кривошипов, соединенные с сателлитами, проходят сквозь отверстия в маховике, связанном с выходным валом.
S
1
G
Работа двигателя происходит в режиме 4-тактного цикла в соответствии с базовыми характеристиками: n - число поршней в поршневом блоке, i - передаточное отношение зубчатой передачи: неподвижное зубчатое колесо - сателлит, а модификации двигателя различаются: числом рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно K=i/2, числом рабочих ходов, происходящих за один оборот выходного вала K=(i/2)*n, числом групп окон всасывания - выхлопа W=i/2.
Иллюстрации. На Фиг.1 изображен вид сбоку на двигатель, его детали и механизмы. На Фиг.2 показан разрез А-А на Фиг.1. На Фиг.3 изображен вид сбоку на ведомый поршневой блок. На Фиг.4 изображен вид сбоку на ведущий поршневой блок. На Фиг.5 схематически показаны положения двух взаимодействующих поршней 5 и 8 из ведомого и ведущего поршневых блоков на конец каждого такта 4-тактного цикла работы двигателя при частичном мультицикле.
На Фиг.6 представлен график в координатах t-0-ω изменения угловых скоростей (ω1) ведомого и (ω2) ведущего поршневых блоков во времени (t) за один 4-тактный цикл работы рабочей камеры двигателя. На Фиг.7 показана схема звеньев замыкания силовой цепи ведомого и ведущего поршневых блоков при рабочем ходе. На Фиг.8 показана схема расположения поршней и окон всасывания - выхлопа 4-х поршневых блоков в цилиндре на момент зажигания рабочей смеси при полном мультицикле.
В состав двигателя входят следующие элементы:
дискообразный охлаждаемый корпус с левой литой частью 1 и правой литой частью 2, с каналами охлаждения, с окнами всасывания и выхлопа, крышками 20, 21 подшипников.
Тороидальный круговой цилиндр с тороидальной внутренней поверхностью, состоящий из двух частей 3 и 4, с группами окон 25 и 26 выхлопа и всасывания, совпадающими с аналогичными отверстиями в корпусе двигателя, с плоской щелью с внутренней стороны гильзы цилиндра для выхода соединительных колец 6 и 9 блоков поршней в картер двигателя 31.
Два поршневых блока, ведомого и ведущего, поршни 5 и 8 которых, круглые в поперечном сечении, связаны в блоки с помощью соединительных колец 6 и 9 с проушинами и поршневых пальцев 7 и 10, имеют гибкую связь с валом двигателя и связанно плавают в тороидальном цилиндре.
Поршни представляют собой сегменты тора, по боковой поверхности совпадающие с поверхностью торообразного цилиндра. Головки поршней 5 и 8 имеют сферические выемки для образования камер сгорания рабочей смеси, круглые компрессионные кольца 23, а с противоположной стороны, у юбок поршней, установлены маслосъемные кольца 24.
Соединительные кольца с внешней стороны имеют тороидальную поверхность, сопрягающуюся с внутренней поверхностью гильзы цилиндра, и проушины для соединения их с помощью поршневых пальцев 7 и 10 с поршнями. Соединительные кольца также воспринимают центробежные силы, действующие на поршни при их вращении в цилиндре, уменьшая износ трущихся поверхностей поршней и цилиндра.
Для обеспечения некоторой свободы и самоустановки поршней при движении их в цилиндре они имеют возможность поперечного перемещения с пальцами 7 и 10 в проушинах соединительных колец. Кольцо ведущего поршневого блока на боковой поверхности имеет оси 11 для соединения с головками шатунов.
Динамические рабочие камеры 22. Взаимодействующие элементы двигателя - головки поршней 5 и 8, из ведомого и ведущего блоков поршней со встречными сферическими выемками на торцах и внутренние поверхности частей 3, 4 цилиндра образуют динамические, перемещающиеся по кругу рабочие камеры, в которых происходят рабочие процессы двигателя.
1
Орбитальные шатунно-кривошипные механизмы с шатунами 12, кривошипами 13 с валами, проходящими сквозь маховик, и соединенными с ними сателлитами 16 с числом зубьев Z. Одна головка шатуна с помощью оси 11 связана с соединительным кольцом 9 ведущего блока поршней, а другая - со штырем 14 кривошипа 13. Сателлиты 16 находятся в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом 17. Шатунно-кривошипные механизмы вращаются на орбите движения внутренних частей соединительных колец поршневых блоков и зубчатой полумуфты, находящихся в картере двигателя. Механизмы располагаются равномерно на орбите своего движения, симметрично относительно оси вала двигателя, а движения их элементов оппозитны, что позволяет уравновешивать центробежные силы от движения и колебаний их элементов. Количество механизмов может быть четным или не четным (но более одного) и зависит от мощности и габаритов двигателя. Шатунно-кривошипные механизмы являются механизмами синхронизации движения поршневых блоков в тороидальном круговом цилиндре для создания 4-тактного мультицикла работы двигателя. Эксцентриситет штырей кривошипов влияет на колебательный ход поршней ведущего поршневого блока и степень сжатия рабочей смеси.
2
Неподвижное зубчатое колеса 17 с числом зубьев Z, закрепленное на левой части 1 корпуса двигателя.
Зубчатая полумуфта для передачи мощности двигателя на маховик 15 и выходной вал 18, состоящая из зубьев на внутренней части соединительного кольца 6 ведомого блока поршней и зубьев 29 бочкообразной формы на наружной части маховика 15. Такое соединение кольца ведомого блока с маховиком допускает небольшие боковые и радиальные биения и перекосы кольца, вызванные силовыми и тепловыми деформациями кольца при работе двигателя, кроме того, зубчатая муфта позволяет проводить начальную установку и регулировку поршневых блоков и шатунно-кривошипных механизмов.
Маховик 15, закрепленный на выходном валу 18.
Двухсторонний выходной вал 18, с подшипниками 19.
Картер 31.
Форсунки 27 подачи топлива.
Свечи 28 зажигания (при необходимости).
2
1
С помощью шатунно-кривошипных механизмов, сателлитов 16 и неподвижного зубчатого колеса 17 осуществляется синхронизация движения поршневых блоков таким образом, что в определенных, фиксированных участках тора в рабочих камерах выполняются такты 4-тактного цикла двигателя. 4-тактный цикл в рабочей камере выполняется за 2 оборота кривошипа. Положение этих участков и их количество могут изменяться в зависимости от числа поршней в поршневых блоках и передаточного отношения числа зубьев Z колеса к числу зубьев Z сателлита.
Для описания работы данного изобретения необходимо ввести понятия работы двигателя внутреннего сгорания в целом в режимах 4-тактного частичного или полного мультицикла.
Частичный мультицикл: 4-тактный цикл работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром (Фиг.1, Фиг.2) и базовыми характеристиками, например, n=4 и i=4. При данных характеристиках в рабочих камерах 22 цилиндра за каждые 2 оборота кривошипа одновременно выполняются по 2 пары одинаковых тактов 4-тактного цикла в последовательности: 2 рабочих хода и 2 всасывания, 2 выхлопа и 2 сжатия.
G
S
1
Конструкция двигателя, представленная на Фиг.1, Фиг.2, имеет следующие базовые и мощностные характеристики: число поршней в поршневых блоках n=4; передаточное отношение неподвижного зубчатого колеса и сателлита i=4; число групп окон всасывания - выхлопа W=2; число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно K=2; число рабочих ходов за один оборот выходного вала K=8; режим работы - частичный мультицикл.
Работа двигателя происходит следующим образом: при вращении вала 18 по часовой стрелке (Фиг.1) вращается маховик 15 (Фиг.1, Фиг.2) и соединенный с ним через кольцо 6 ведомый поршневой блок 5. Проходящий через маховик вал кривошипа 13 и сателлит 16 обкатываются по неподвижному зубчатому колесу 17, вызывая вращение кривошипа и колебания шатуна 12. Вращение маховика и колебания шатуна создают вращательно-колебательное движение соединительного кольца 9 ведущего поршневого блока 8 в цилиндре двигателя, выполняя совместно с равномерным вращением поршней 5 ведомого блока в рабочих камерах 22 четыре такта рабочего процесса двигателя за 2 оборота кривошипа. За каждый оборот кривошипа ведущий поршневой блок проходит два положения, в которых его угловая скорость равна угловой скорости ведомого блока поршней (точки пересечения прямой ω1 и кривой ω2 на Фиг.6). Первое положение, в котором объем рабочих камер 22 минимальный, будем называть задней мертвой точкой (ЗМТ), а второе положение, в котором объем рабочих камер максимальный - передней мертвой точкой (ПМТ). На Фиг.1 изображено положение поршневых блоков в середине тактов "Рабочий ход (Рх)" для верхней камеры 22 (по положению на Фиг.1) и диаметрально ей противоположной и "Всасывание (Вс)" для нижней камеры 22 и диаметрально ей противоположной. Скорость ведущего поршневого блока в этот момент имеет максимальное значение (кривые "Рх" и "Вс", Фиг.6). При дальнейшем расширении продуктов сгорания рабочей смеси происходит увеличение объема рабочих камер 22 и движение поршневых блоков по часовой стрелке с разными скоростями. По достижению штырем 14 кривошипа 13 ПМТ, а рабочими камерами своего максимального значения, в верхней рабочей камере и ей противоположной головками поршней 8 ведущего блока открываются отверстия 25 выхлопа в части увеличенного их сечения на начальном участке и начинается процесс выхлопа отработанных газов под давлением рабочей среды, в нижней камере и ей противоположной головками поршней 5 ведомого блока закрываются отверстия 26 всасывания и начинается процесс сжатия воздушной смеси. После прохождения штырем кривошипа ПМТ угловая скорость движения ведущего блока становится меньше угловой скорости ведомого блока (кривые "Вых" (такт "Выхлоп") и "Сж" (такт "Сжатие") Фиг.6). Головки поршней блоков начинают сближаться, выталкивая в двух рабочих камерах отработанные газы в выхлопные отверстия, а в двух других рабочих камерах сжимая воздушную смесь. За некоторое время до достижения ведущим блоком ЗМТ в камеры со сжатой воздушной смесью через форсунки 27 впрыскивается топливо, а в двух других камерах заканчивается процесс выхлопа отработанных газов и головками поршней 5 закрываются отверстия 25 выхлопа. Вблизи ЗМТ в двух рабочих камерах со сжатой воздушно-топливной смесью свечами 28 производится ее воспламенение и начинается такт "Рабочий ход", а в двух других рабочих камерах такт "Всасывание", далее термодинамический цикл работы двигателя повторяется. Таким образом, в режиме частичного мультицикла в двух рабочих камерах двигателя из 4 за 2 оборота кривошипа одновременно происходят такты "Рабочий ход", а в двух других камерах - такты "Всасывание" воздушной смеси. За следующие 2 оборота кривошипа в двух рабочих камерах из 4 одновременно происходят такты "Выхлоп" отработанных газов и в двух других камерах - такты "Сжатие" воздушной смеси. Не рабочие камеры 30, образуемые юбками поршней поршневых блоков, вентилируются через всасывающие, выхлопные или специальные отверстия.
1
2
1
2
Схема замыкания звеньев силовой цепи ведомого и ведущего поршневых блоков при рабочем ходе показана на Фиг.7. Силы F, действующие на поршень 5 через соединительное кольцо и маховик 15, действуют в виде силы F на центр 32, оси кривошипа 13, а силы F, действующие на поршень 8, через соединительное кольцо, шатун 12 (сила F), штырь кривошипа создают вращательный момент на сателлите 16. В результате действия сил F и F сателлит обкатывается по часовой стрелке вокруг неподвижного зубчатого колеса 17, вращая в том же направлении маховик.
Смазка трущихся поверхностей соединительных колец поршневых блоков и поверхностей поршней с цилиндром может осуществляться маслом из картера двигателя под напором центробежных сил через специальные канавки в поверхностях трения соединительных колец и внутрипоршневые каналы.
G
Двигатель (Фиг.1, Фиг.2) может также работать в режиме полного мультицикла при изменении передаточного отношения i и соответственно W.
Полный мультицикл: 4-тактный цикл работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром и базовыми характеристиками, например, n=4 и i=8. При подобных базовых характеристиках во всех 4 рабочих камерах 22 цилиндра за каждые два оборота кривошипа одновременно выполняются 4 одинаковые такта 4-тактного цикла в последовательности: 4 рабочих хода, 4 выхлопа, 4 всасывания, 4 сжатия.
При данном режиме работы двигатель будет иметь следующие характеристики:
- число поршней в поршневых блоках n=4;
- передаточное отношение зубчатого колеса и сателлита i=8;
G
- число групп окон всасывания - выхлопа W=4;
S
- число рабочих ходов, происходящих в двигателе одновременно K=4;
1
- число рабочих ходов за один оборот выходного вала K=16.
На Фиг.8 показана схема расположения поршней 4-х поршневых блоков и окон всасывания - выхлопа в тороидальном цилиндре на момент зажигания рабочей смеси при полном мультицикле.
Представленные материалы показывают технические преимущества данного изобретения по сравнению с аналогами и прототипом, а также принципиально новые технические решения для создания и модернизации многопоршневых двигателей внутреннего сгорания с тороидальным круговым цилиндром.