Двигатель внутреннего сгорания четырехкратный, поршневой, кривошипно-кулисный, роторный с факельным самозажиганием (двскф), способ запуска двскф пиротехнический

 

Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный, поршневой, кривошипно-кулисный, роторный, с факельным самозажиганием, с пиротехническим запуском, относится к энергетическим установкам, преобразующим химическую энергию жидкого или газообразного топлива в механическую энергию, и может быть использован в транспортных средствах. Двигатель включает в себя корпус с кольцевой рабочей камерой, в которую установлены шесть поршней, попарно закрепленных на трех дисках и делящих кольцевую камеру на шесть межпоршневых камер. На ступицах дисков закреплены три сдвоенных кривошипа, в которых установлены по два ведущих пальца. Пальцы каждого кривошипа имеют возможность поочередно входить в зацепление с пазами тринадцатипазовой кулисы. При этом вход в зацепление с пазом кулисы одного пальца кривошипа сопровождается одновременным выходом из зацепления с другим пазом кулисы противоположного пальца того же кривошипа так, что одновременно в зацеплении с пазами кулисы находится только по одному пальцу каждого кривошипа. Конструкция двигателя без электрической системы зажигания требует нетрадиционного способа запуска. Таким способом может быть пиротехнический способ запуска, при котором начало движения поршней, сжатие рабочей смеси и ее первое зажигание осуществляется горячим газом от сработавшего пиротехнического заряда. Воплощение двигателя по предложенной схеме позволит достигнуть следующих технических результатов: обеспечить снижение уровня токсичности выхлопных газов в результате повышенной турбулизации и многократного повышения мощности фактора зажигания, обеспечить устойчивую работу двигателя со степенью сжатия 8 - 10 на многих видах моторного топлива, в том числе низкооктанового, обеспечить снижение массы и габаритов двигателя, обеспечить снижение уровня вибрации и шума, обеспечить упрощение конструкции двигателя, обеспечить повышение устойчивости и сокращение времени запуска двигателя. 2 c. и 3 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к энергетическим установкам, преобразующим химическую энергию жидкого или газообразного углеводородного топлива в механическую энергию. Преимущественная область применения в наземных, водных и воздушных транспортных средствах.

Существует множество схем роторных и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания. Например, семейство роторно-поршневых двигателей с двухэпитрахоидальной рабочей поверхностью статора и треугольным ротором. Ближайшим же аналогом, предлагаемого устройства, является схема в заявке Германии DE 4031272A1, кл. F 02 B 53/00 от 1992 года. Эта схема содержит корпус с кольцевой рабочей камерой, четыре поршня, попарно закрепленные на диаметрально противоположных сторонах двух дисков. Поршни помещены в кольцевую рабочую камеру и делят ее на четыре межпоршневых камеры. Механизм взаимодействия дисков между собой и с корпусом при движении позволяет периодически увеличивать и уменьшать объемы межпоршневых камер, что дает возможность организовать четырехтактный цикл работы двигателя внутреннего сгорания. Однако при такой схеме не может быть достигнут эффект факельного самозажигания, так как к моменту сжатия рабочей смеси в одной из межпоршневых камер в одной из соседних камер заканчивается процесс заполнения, а в другой заканчивается процесс расширения, следовательно, отсутствует источник горячих газов под давлением, большим чем давление сжатой рабочей смеси.

Известны также способы запуска двигателей внутреннего сгорания с использованием пиротехнического заряда, в качестве источника давления газа (см. а. с. СССР 492676), посредством которого осуществляется начало движения поршней и сжатие в цилиндрах рабочей смеси. Однако зажигание рабочей смеси при этом осуществляется традиционным способом.

Задачей настоящего изобретения является снижение уровня токсичности выхлопных газов и повышение экономичности работы двигателя внутреннего сгорания. Уровень токсичности выхлопных газов обусловливается наличием в них окиси углерода, углеводородов различного химического состава и строения, сажи и паров топлива. Все эти вещества являются продуктами неполного сгорания углеводородного топлива. Степень полноты сгорания топлива оказывает непосредственное влияние на показатель экономичности двигателя. Основными причинами неполного сгорания топлива в современных двигателях являются: недостаток кислорода в смеси (работа на обогащенных смесях, с коэффициентом избытка воздуха менее 1,0); недостаточная турбулизация горючей смеси к моменту зажигания и последующего горения; малая мощность фактора зажигания (электрическая искра свечи), обусловливающая длительность развития процесса горения и, как результат, недостаток времени для полного сгорания; пропуски воспламенения при работе на обедненных смесях (коэффициент избытка воздуха 1,2 и более). Устранение этих недостатков в предлагаемом двигателе достигается путем перепуска в межпоршневую камеру с готовой к воспламенению горючей смесью части горячих газов, под давлением, превышающим давление сжатой смеси, из соседней межпоршневой камеры с горящей рабочей смесью через перепускные каналы, выполненные в корпусе двигателя.

В результате, в момент зажигания в межпоршневую камеру с находящейся там сжатой готовой к воспламенению рабочей смесью врываются мощные факелы горячих газов, вызывающие повышенную турбулизацию рабочей смеси и ее объемное зажигание. В соответствии с поставленной задачей предлагается конструкция двигателя. Двигатель имеет следующие существенные признаки: наличие в статоре кольцевой рабочей камеры; наличие поршней, попарно закрепленных, на диаметрально противоположных сторонах дисков, помещенных в рабочую камеру и делящих ее на межпоршневые камеры; наличие сдвоенных кривошипов, соединенных с поршневыми дисками, и имеющих по два ведущих пальца, установленных в диаметрально противоположных концах кривошипов; наличие многопазовой кулисы, взаимодействующей своими пазами с ведущими пальцами сдвоенных кривошипов. Число пазов кулисы должно соответствовать формуле Z = N_m + (m + 1)
где
Z - число пазов кулисы;
N - число пар поршней и, соответственно, число сдвоенных кривошипов;
m - целое положительное число, соответствующее количеству секторов, расположенных между двумя пазами кулисы, находящимися в зацеплении с ведущими пальцами сдвоенных кривошипов. Пазы кулисы могут быть:
прямые направленные по радиусу;
прямые направленные по хорде;
криволинейные;
сочетающие прямолинейные и криволинейные участки.

Кроме того, наружный диаметр кулисы должен быть таким, чтобы хорда, соединяющая точки пересечения осевых линий двух пазов кулисы с ее наружным диаметром, с шагом, соответствующим числу секторов между этими пазами (m+1), была равна расстоянию между осями ведущих пальцев на сдвоенных кривошипах (см. размер L на фиг.7). Только при этих условиях возможен одновременный вход в зацепление с пазом кулисы одного из пальцев кривошипа и выход из зацепления другого пальца того же кривошипа.

К существенным признакам относится выбор числа поршней и, соответственно, числа сдвоенных кривошипов больше двух. Только при этом условии возможно соседство межпоршневой камеры с готовой к воспламенению сжатой рабочей смесью и камеры с горящей рабочей смесью, в которой давление превышает давление сжатия смеси. Существенным признаком также является наличие в статоре перепускных каналов, позволяющих перетекание горячих газов из межпоршневой камеры с высоким давлением в соседнюю межпоршневую камеру.

Из всей совокупности существенных признаков, отличительными признаками являются:
наличие сдвоенных кривошипов, несущих по два ведущих пальца каждый;
наличие многопазовой кулисы с числом пазов, определяемым по формуле [1];
характер взаимодействия кривошипов и кулисы, когда одновременно в зацеплении с пазами кулисы находится только по одному ведущему пальцу каждого кривошипа, а вход в зацепление с пазом кулисы одного ведущего пальца каждого кривошипа сопровождается одновременным выходом из зацепления другого пальца того же кривошипа;
наличие числа пар поршней и, соответственно, числа сдвоенных кривошипов более двух;
наличие в корпусе двигателя перепускных каналов.

Характер взаимодействия кривошипов с кулисой, когда расстояние между осями вращения кривошипно-поршневой группы и кулисы более половины радиуса кривошипа, определяет одностороннюю проводимость механического движения - только от кривошипов к кулисе. При попытке передать вращение от кулисы к кривошипам и далее к поршням, возможно заклинивание системы. Это обстоятельство в сочетании с отсутствием системы электрического зажигания требует нетрадиционного способа запуска двигателя. В этой связи может быть рассмотрен пиротехнический способ запуска двигателя. Этот способ обладает следующей совокупностью существенных признаков:
наличие камеры сгорания пиротехнического заряда с механическим или электрическим инициированием;
наличие каналов, подводящих газы из камеры сгорания заряда в рабочую камеру двигателя;
наличие обратных клапанов, препятствующих перетеканию газов из рабочей камеры двигателя в камеру сгорания пиротехнического заряда.

При этом, для осуществления зажигания сжатой горючей смеси в межпоршневой камере двигателя горячим газом от сработавшего пиротехнического заряда один из подводящих каналов должен впадать в перепускной канал, выполненный в статоре двигателя.

Из всей совокупности существенных признаков этого способа зажигания, отличительным признаком является впадение одного из каналов в перепускной канал двигателя, что позволит осуществить зажигание сжатой в межпоршневой камере горючей смеси горячим газом от сработавшего пиротехнического заряда.

Таким образом, воплощение в двигателе всех существенных признаков позволит достигнуть следующих технических положительных результатов:
обеспечить снижение уровня токсичности выхлопных газов и повышение экономичности работы двигателя за счет получения возможности работы на обедненных рабочих смесях (коэффициент избытка воздуха 1,3 - 1,4) и многократного повышения мощности фактора зажигания;
обеспечить устойчивую работу двигателя со степенью сжатия 8-10 на многих видах топлива, в том числе низкооктанового, так как повышенная турбулизация и факельное зажигание сдвигают границу бездетонационной работы двигателя в сторону более высокой степени сжатия;
обеспечить снижение массы и габаритов двигателя на единицу мощности за счет его повышенной энергонасыщенности, так как при количестве пар поршней 3 за полный оборот кривошипно-поршневой группы осуществляется 6 рабочих ходов (такт горение рабочей смеси - расширение);
обеспечить снижение уровня вибрации и шума за счет отсутствия возвратно-поступательных движений и возможности сколь угодно точной балансировки вращающихся частей;
обеспечить упрощение конструкции двигателя за счет отсутствия газораспределительной системы и системы электрического зажигания;
обеспечить повышение устойчивости и сокращение времени запуска двигателя независимо от погодных условий и наличия источников электропитания за счет применения пиротехнического способа запуска.

На фиг. 1 представлен общий вид двигателя с разрезом, проходящим через оси вращения кривошипно-поршневой группы и кулисы. На фиг. 2 изображено сечение А - А корпуса двигателя в месте расположения впускного и выпускного окон. На фиг. 3 представлено сечение Б - Б корпуса в месте расположения перепускного канала, части поршня и условного изображения ввода канала из камеры сгорания пиротехнического заряда с обратным клапаном. На фиг. 4 изображено сечение В - В на фиг.1, проходящее через кольцевую рабочую камеру, с находящимися в ней поршнями, диск и центральный вал. Фиг. 5 представляет собой сечение Е - Е на фиг. 4, проходящее через кольцевую рабочую камеру, поршень и второй перепускной канал. На фиг. 6 представлен разрез Д-Д общего вида, проходящий через корпус двигателя и ведущие пальцы сдвоенных кривошипов, с видом на кривошипы. Фиг. 7 представляет собой тот же разрез, что и на фиг. 6, но с видом на кулису по стрелкам Г - Г. На фиг. 8,9 и 10 представлен вид по стрелке К на кулису. На этих фигурах изображены варианты выполнения пазов кулисы.

Двигатель состоит из составного корпуса 1 (см. фиг. 1), имеющего кольцевую рабочую камеру. В нее помещены поршни 2, попарно закрепленные на диаметрально противоположных сторонах дисков 3: на ступицах которых закреплены сдвоенные кривошипы 4. В диаметрально противоположных концах кривошипов на подшипниках качения установлены по два ведущих пальца 5, которые входят в зацепление с пазами многопазовой кулисы 6. Причем, в зацеплении с пазом кулисы всегда находится только один ведущий палец каждого кривошипа. Пазы кулисы могут быть прямолинейными и направленными по радиусу, прямолинейными и направленными по хорде, криволинейными и иметь форму, сочетающую прямолинейные и криволинейные участки. Кривошипно-поршневая группа в целом имеет неограниченную свободу вращения относительно корпуса, а каждая кривошипно-поршневая пара в группе может поворачиваться относительно других пар на некоторый угол, величина которого зависит от выбранного количества кривошипно-поршневых пар и количества пазов на кулисе. Оси вращения кривошипно-поршневых пар и кулисы параллельны между собой и имеют межосевое расстояние C, зависящее от выбора величины радиуса кривошипа R. Диаметр кулисы также зависит от выбора величины радиуса кривошипа R. Для впуска в межпоршневые камеры рабочей смеси и выпуска отработавших газов в корпусе двигателя выполнены впускное и выпускное окна (см. фиг. 2). К каждому из окон прикреплены трубопроводы 7, идущие к карбюратору и к выхлопной трубе соответственно. Для перепуска газа из одной межпоршневой камеры в другую в корпусе двигателя выполнены перепускные каналы, длина которых больше ширины поршней (см. фиг. 3 и фиг. 5). Для осуществления пиротехнического способа запуска двигателя на фиг. 1 условно изображена система пиротехнического запуска, состоящая из камеры сгорания пиротехнического заряда 8, двух подводящих каналов 9 и двух вводов 10, содержащих обратные клапаны 11 (см. фиг. 3).

Характер взаимодействия кривошипов с кулисой позволяет вращение в любом направлении. Направление вращения при работе двигателя определяется местом расположения перепускных каналов, местами расположения вводов от пиротехнического пускового устройства и местами расположения впускного и выпускного окон. Кроме того, двигатель по предлагаемой схеме обладает одной "мертвой" точкой. При симметричном расположении ведущих пальцев кривошипов относительно плоскости, проходящей через оси вращения кривошипно-поршневой группы и кулисы (см. фиг. 7), силы, возникающие от появления давления в межпоршневой камере I (см. фиг. 4) и передаваемые от поршней на ведущие пальцы, взаимно уравновешиваются и крутящего момента на кулисе не возникает. Это положение неустойчивого равновесия соответствует положению системы коленвал-шатун-поршень в верхней "мертвой" точке традиционного двигателя. Однако при малейшем повороте кулисы, например, по часовой стрелке, система выходит из равновесия и на кулисе появляется крутящий момент, так как изменяются радиусы приложения сил (один увеличивается, другой уменьшается) и изменяются модули сил из-за изменения углов воздействия сил, передаваемых от поршней на стенки пазов кулисы через ведущие пальцы кривошипов. Кроме того, при работе двигателя в предшествующей межпоршневой камере (камера II на фиг.4) осуществляется рабочий ход (горение смеси с расширением). Поэтому, и с учетом инерции системы, "зависание" работающего двигателя в положении "мертвой" точки невозможно.

На фиг. 4 изображено одно из характерных положений поршней в кольцевой рабочей камере, когда две межпоршневые камеры (I и IV на фиг. 4) из шести имеют наименьший объем и открыты перепускные каналы. Места расположения перепускных каналов и окон для впуска и выпуска газов задают направление вращения по часовой стрелке (см. фиг. 4). Тогда в межпоршневой камере I закончен процесс сжатия рабочей смеси, в камере II идет процесс горения рабочей смеси, в камере III идет процесс выпуска отработавших газов, в камере IV закончен процесс выпуска отработавших газов, в камере V идет процесс впуска рабочей смеси, в камере VI идет процесс сжатия рабочей смеси. Межпоршневые камеры I и II в этот момент соединены перепускными каналами, и горячие газы из камеры II устремляются в камеру I, производя турбулизацию рабочей смеси и ее объемное зажигание. При дальнейшем движении кривошипно-поршневой группы по часовой стрелке камера I занимает место камеры II, на место камеры I подходит камера VI и так далее.

Запуск двигателя осуществляется пиротехническим способом. Для этого в камеру сгорания 8 (см. фиг. 1) устанавливается пиротехнический заряд и инициируется его загорание. Горячий газ под давлением устремляется по каналам 9 во вводы 10, открывает обратные клапаны 11 и заполняет межпоршневые камеры I (см. фиг. 4) или II или обе камеры одновременно, в зависимости от начального положения кривошипно-поршневой группы. Под давлением газа вся кривошипно-поршневая группа начнет движение по часовой стрелке (фиг. 4), с выполнением тактов: заполнения межпоршневых камер рабочей смесью, сжатия рабочей смеси и выпуска газов. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока место камеры I не займет очередная камера со сжатой, готовой к воспламенению рабочей смесью. Горячий газ, поступивший из камеры сгорания пиротехнического заряда, воспламенит рабочую смесь, и начнется штатная работа двигателя. В системе пиротехнического запуска по мере выгорания заряда и перетекания газа давление снизится и обратные клапаны закроются.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный, поршневой, кривошипно-кулисный, роторный, с факельным самозажиганием, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой, поршни, попарно закрепленные на диаметрально противоположных сторонах дисков, помещенные в кольцевую рабочую камеру и делящие ее на межпоршневые камеры, отличающийся тем, что диски, несущие пары поршней, соединены со сдвоенными кривошипами, имеющими по два ведущих пальца, установленных в противоположных концах кривошипа и имеющих возможность поочередного входа в зацепление с пазом кулисы одного ведущего пальца с одновременным выходом из зацепления с другим пазом кулисы другого ведущего пальца этого кривошипа так, чтобы одновременно только по одному пальцу каждого кривошипа находилось в зацеплении с пазами многопазовой кулисы, пазы которой прямолинейны и направлены по радиусу, либо прямолинейны и направлены по хорде, либо криволинейны, либо сочетают в себе прямолинейные и криволинейные участки, корпус имеет перепускные каналы для перетекания горячего газа из одной межпоршневой камеры в другую, а также количество пар поршней, установленных в кольцевую камеру, более двух.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, имеющий три пары поршней, закрепленных на трех дисках, три соединенных с дисками сдвоенных кривошипа, ведущими пальцами входящие в зацепление с кулисой, имеющей тринадцать пазов.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, в корпусе которого выполнены два канала для перетекания газа из одной межпоршневой камеры в другую.

4. Способ запуска двигателя внутреннего сгорания, предусматривающий начало движения поршней и сжатие рабочей смеси энергией давления газа от сработавшего пиротехнического заряда, отличающийся тем, что предусматривает и зажигание сжатой рабочей смеси тем же горячим газом от сработавшего пиротехнического заряда.

5. Способ запуска двигателя внутреннего сгорания по п.4, предусматривающий наличие камеры сгорания пиротехнического заряда, сообщающейся с кольцевой рабочей камерой двигателя двумя каналами, снабженными обратными клапанами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10