Пропеллерный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям. Техническим результатом является повышение удельных габаритных и весовых показателей. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из цилиндра, в концах которого установлены две головки с системой газораспределения и с отверстиями по центру, в которых с возможностью вращения установлен коренной вал. Через шлицы в середине вала с ним подвижно соединена внутриполая ось, несущая жестко укрепленный сплошной пропеллерообразный двусторонний поршень, поверхности сплошных лопастей которого абсолютно сопрягаются с пропеллерообразными сплошными поверхностями двух противолежащих головок. Расстояние между головками обеспечивает вращательное и возвратно-поступательное движение поршня между ними. Причем каждая вторая грань противоположных лопастей головок имеет чашевидное углубление, образующее камеру сгорания, соединенную желобом с гранью следующей (по ходу вращения) лопасти. 4 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к моторостроению и может быть использовано для изготовления двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей, тракторов, самолетов и т.п.

Известны различные типы ДВС: поршневые с шатуном [1], бесшатунные поршневые [2], роторные [3] и роторно-поршневые [4], подобные ДВС по патенту [5] и другие [6].

Недостатками некоторых типов ДВС является большие размеры и вес, у других - сложность конструкции, трудности в массовом производстве, малый рабочий ресурс и т.п.

Ближайшим к изобретению является ДВС с центральным (относительно системы поршень - цилиндр) расположением коренного вала и с преобразованием поступательного движения поршня во вращательное движение коренного вала через систему роликов и криволинейной направляющей [7].

Недостатком ДВС такого типа является большие размеры, сложность конструкции, недолговечность и хрупкость сопряжения поршня через ролики и криволинейную направляющую с коренным валом.

Целью изобретения является уменьшение размеров и упрощение конструкции ДВС.

Это достигается тем, что двусторонний поршень, соединенный через шлицы с коренным валом, имеет сплошную пропеллерообразную форму, абсолютно сопрягающуюся с такими же сплошными пропеллерообразными внутренними поверхностями головок цилиндра.

На фиг.1 представлена схема пропеллерного ДВС, на фиг.2 - пропеллерообразный двусторонний поршень, вид сбоку, на фиг.3 - то же, промежуточный вид, на фиг.4 - то же, вид спереди, на фиг.5 - разворот в ленту одного из концентрических сечений пропеллерного ДВС в момент начала первого такта, на фиг.6 - то же, в середине первого такта, на фиг.7 - то же, конец первого и начало второго такта, на фиг.8 - то же, середина второго такта, на фиг.9 - то же, конец второго и начало третьего такта, на фиг.10 - то же, середина третьего такта, на фиг.11 - то же, конец третьего и начало четвертого такта, на фиг.12 - разворот в ленту одного из концентрических сечений пропеллерного ДВС в момент середины четвертого такта, на фиг.13 - вид сбоку на фрагмент поршня, снабженного канавками под кольца, на фиг.14 - общий вид компрессионного зигзагообразного кольца, на фиг.15 - фрагмент поршня с канавками под кольцо и под компрессионный брусок, на фиг.16 - общий вид компрессионного бруска, на фиг.17 - фрагмент зигзагообразного кольца с проточкой под замок бруска, на фиг.18 - поршень в сборе с внутриполой осью и коренным валом, на фиг.19 -впускной клапан в сборе, на фиг.20 - вид спереди на левую головку цилиндра со вставленными впускными и выпускными клапанами и двумя рычагами. на фиг.21 - вид сзади на газораспределительный диск, на фиг.22 - сопряжение газораспределительного диска с коренным валом через планетарный механизм.

На чертежах обозначено: стрелками - впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов, точками - сжимаемая рабочая смесь, звездочкой - воспламененная рабочая смесь, двойная линия на фиг.4 - это след на поршне от концентрического сечения двигателя, утолщенная стрелка показывает направление вращения поршня.

На фиг.1 в цилиндре 1 укреплены левая 2 и правая 3 головки, по оси которых с возможностью вращения укреплен коренной вал 4, с которым через шлицы 5 подвижно соединена внутриполая ось 6, на которой жестко укреплен двусторонний пропеллерообразный сплошной поршень 7. Головки установлены так, что поршень имеет возможность вращательно-возвратно-поступательного движения с минимальными зазорами между сопрягаемыми сплошными пропеллерообразными поверхностями поршня и головок цилиндра. Высота h (фиг.2) лопастей 8 (фиг.3) постоянна относительно плоскости, проходящей через все ребра 9 (фиг.4) лопастей 8, количество которых больше 1 и теоретически неограниченно. Каждая вторая грань взаимопротивостоящих лопастей головок имеет чашевидное углубление 10 (фиг.5), соединенное желобом 11 со смежной (по ходу вращения поршня) гранью лопасти 8 головки.

Двигатель работает следующим образом. Рассмотрим любое концентрическое сечение двигателя (например, сечение по следу на поршне, обозначеному двойной линией на фиг.4), развернутое на плоскость из кольца в ленту.

1. На фиг.5 к началу первого такта в половине из всех камер сгорания (образованных чашевидными углублениями 10) левой стороны (головка 2) происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень между лопастями левой 2 и правой 3 головок сначала в промежуточное (фиг.6), а затем в конечное положение первого такта (фиг.7). При этом через открывшиеся впускные клапана 12 второй половины рабочих камер левой стороны одновременно происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер 13 правой стороны происходит сжатие рабочей смеси и ее нагнетание по желобам 11 из рабочих камер 13 в камеры сгорания 10, а в оставшихся камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана 14.

На фиг.7 к началу второго такта в половине камер сгорания правой стороны происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень сначала в промежуточное (фиг.8), а затем в конечное положение второго такта (фиг.9). При этом одновременно через открывшиеся впускные клапана второй половины рабочих камер правой стороны происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер левой стороны происходит сжатие рабочей смеси и ее нагнетание по желобам из рабочих камер в камеры сгорания, а в оставшихся рабочих камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана.

На фиг.9 к началу третьего такта в половине камер сгорания левой стороны происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень сначала в промежуточное (фиг.10), а затем в конечное положение третьего такта (фиг.11). При этом одновременно через открывшиеся впускные клапана второй половины рабочих камер левой стороны происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер правой стороны происходит сжатие рабочей смеси и ее нагнетание по желобам из рабочих камер в камеры сгорания, а в оставшихся камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана.

На фиг.11 к началу четвертого такта в половине камер сгорания правой стороны происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень сначала в промежуточное (фиг.12), а затем в конечное положение четвертого такта, подобное начальному положению первого такта (фиг.5). При этом одновременно через открывшиеся впускные клапана второй половины рабочих камер правой стороны происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер левой стороны происходит сжатие топливной смеси и ее нагнетание по желобам из рабочих камер в камеры сгорания, а в оставшихся камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана.

Таким образом, в каждой камере происходят все четыре такта рабочего цикла, а поршень 7 на фиг.1 совершает вращательно-возвратно-поступательное движение между головками 2 и 3, при этом через шлицевое соединение придает коренному валу 4 вращательное движение, причем за один такт вал проворачивается на часть полного оборота, кратную половине количества лопастей.

В изобретении используется меньшее количество деталей и узлов, чем в любом из современных четырехтактных ДВС, и компоновка деталей такова, что все свободное пространство используется только функционально, в отличие от любых других ДВС, где обязательно есть пространства, занятые просто воздухом. Поэтому пропеллерный ДВС имеет более простую конструкцию и меньшие габариты и вес.

2. При работе двигателя по пункту 1 из-за неплотности между поршнем и стенкой цилиндра обязательно происходит сообщение между рабочими камерами левой и правой стороны, а это нарушает работу двигателя.

С целью обеспечения компрессии и изоляции рабочих камер левой и правой стороны поршня 7 друг от друга, поршень снабжен канавками 15 (фиг.13), в которые установлен набор подпружиненных компрессионных и маслосъемных колец (фиг.14), зигзагообразная форма которых в сжатом состоянии абсолютно повторяет форму боковой поверхности поршня, а диаметр сжатых с функциональным зазором и замком 16 колец равен внутреннему диаметру цилиндра 1.

При движении поршня кольца за счет пружинных свойств прилегают к внутренней стенке цилиндра, чем обеспечивают компрессию и изоляцию рабочих камер левой и правой стороны поршня друг от друга.

3. При работе двигателя по пункту 2 из-за неплотности между гранями лопастей поршня и головки, а также из-за неплотностей в центрально-осевой части двигателя обязательно происходит сообщение между смежными (через ребро лопасти) камерами, а это нарушает работу двигателя.

С целью обеспечения компрессии и изоляции соседних камер друг от друга поршень снабжен канавками (фиг.15) по ребрам лопастей, продолжеными по кратчайшему пути до канавки 15 компрессионных колец. В реберные канавки вставлены подпружиненные Г-образные бруски (фиг.16), имеющие замки 17 для подвижного соединения с компрессионным кольцом. Соответственно, компрессионные кольца имеют ответный паз 18 (фиг.17) в области сопряжения с компрессионным бруском, образуя при этом систему обеспечения изоляции и компрессии между смежными камерами.

С целью обеспечения компрессии и изоляции рабочих камер друг от друга в центрально-осевой части двигателя внутриполая ось 6, сопряженная шлицами с коренным валом 4, снабжена набором зигзагообразных компрессионных и маслосъемных колец 19 (фиг.18), установленных по наружному диаметру, на расстоянии от ребер поршня большим, чем h, в зонах подвижного сопряжения внутриполой оси с центральными отверстиями головок цилиндра. Кроме того, по краю внутренней поверхности центрального отверстия в головке, в месте сопряжения головка - поршень - внутриполая ось, установлено дополнительное зигзагообразное обратноподпружиненное компрессионное кольцо (подобное кольцу на фиг.14), с которым контактирует Г-образный брусок.

При движении поршня подпружиненные бруски прилегают к поверхностям головок и к стенкам цилиндра, тем самым обеспечивают компрессию и изоляцию друг от друга смежных рабочих камер, а при перемещении внутриполой оси (с поршнем) внутри центрального отверстия головки (в малом цилиндре) зигзагообразные кольца прилегают одни соответственно к внутренней поверхности малого цилиндра, другие - к наружной поверхности внутриполой оси и к кончикам брусков, и тем самым обеспечивают компрессию и изоляцию в центрально-осевой части двигателя.

4. Для изолирования смежных (через ребро лопасти) камер в ДВС по пункту 2, необходима система компрессионных колец и брусков (фиг.15 - 17), что усложняет двигатель и представляет сложную для изготовления конструкцию, а тем более затруднено изготовление зигзагообразного, обратноподпружиненного компрессионного кольца в теле головок цилиндра.

С целью упрощения конструкции за счет устранения самой причины, по которой двигатель усложняется, а именно за счет устранения необходимости изолирования друг от друга смежных через ребро лопасти камер, в двигателе по пункту 2 установлена такая система газораспределения, что во всех рабочих камерах левой стороны происходит один и тот же такт, например сжатие. Соответственно в камерах правой стороны также происходит один и тот же такт, например всасывание, и двигатель является первым блоком блочного пропеллерного двигателя, в котором все блоки согласованно сопряжены через вращение единого рабочего вала, и, соответственно, в одном из этих блоков происходит такт воспламенения рабочей смеси во всех камерах правой стороны (что приводит во вращение в том числе и коренной вал первого блока), а в рабочих камерах левой стороны - такт выхлопа.

В таком двигателе нет необходимости изолировать смежные (через ребро лопасти) камеры одной стороны друг от друга, что приводит к упрощению конструкции за счет отсутствия канавок, компрессионных брусков и обратноподпружиненного, зигзагообразного кольца по пункту 3.

5. Для нормальной работы двигателя необходим механизм газораспределения, обеспечивающий подвод топливной смеси в соответствующую рабочую камеру и отвод выхлопных газов из соответствующей рабочей камеры.

С этой целью в каждой головке установлены комплекты впускных и выпускных, подпружиненных через тарелки и сухарики клапанов, на которые через регулируемые рычаги 20 оказывают давление кулачки 21 [8] (фиг.19). Верхние оконечности впускных 22 и выпускных 23 клапанов образуют два концентрических кольца, отдельно для каждого вида клапанов (фиг.20), перпендикулярно которым расположены оси вращения 24 рычагов 20 рядом с каждым клапаном. Кулачки впускных 25 и выпускных 26 клапанов образуют на диске два отдельных кольца (фиг.21), идентичных кольцам на фиг.20, а диск через планетарный механизм 27 сопряжен с коренным валом (фиг.22). Коэффициент передачи планетарного механизма равен 0,5.

Таким образом, при правильном расположении кулачков на диске каждой головки в двигателе обеспечивается нормальное газораспределение.

Источники информации

1. Марчук О.Н. Устройство двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища Школа, 1975.

2. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972.

3. Ястржембский В. Вот это кажется переворот. Знание-сила, 1964, N 7, с.26-27.

4. Маджуга Г.С. Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. М.: Знание, 1964.

5. Патент США N 4480528, кл. F 01 B 3/04, 1984.

6. Бирюков Б.Н. От водяного насоса до квантового ускорителя. М.: Машиностроение, 1990.

7. Патент РФ N 2145666, кл. F 02 B 75/26, 1998.

8. Богатырев А.В. и др. Автомобили. М.: Колос, 2001, стр.66.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания с центральным расположением коренного вала, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, с коренным валом в его середине через шлицы подвижно соединена внутриполая ось, несущая жестко укрепленный сплошной пропеллерообразный двусторонний поршень, поверхности сплошных лопастей которого абсолютно сопрягаются с пропеллерообразными сплошными поверхностями двух противолежащих головок, расстояние между которыми обеспечивает вращательно-возвратно-поступательное движение поршня между головками с минимальными зазорами между ними, причем каждая вторая грань взаимопротивостоящих лопастей головок имеет чашевидное углубление, образующее камеру сгорания, соединенное желобом с гранью следующей (по ходу вращения) лопасти.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью устранения сообщения между противолежащими рабочими камерами, снабжен зигзагообразными компрессионными и маслосъемными кольцами, установленными на поршень, форма которых повторяет форму боковой поверхности поршня.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что, с целью устранения сообщения между смежными рабочими камерами, снабжен Г-образными подпружиненными брусками, установленными по ребрам лопастей поршня и подвижно сопряженными с его компрессионными зигзагообразными кольцами, также снабжен компрессионными и маслосъемными кольцами, установленными на внешней поверхности внутриполой оси на расстоянии от ребер поршня больше, чем высота выпуклости лопастей, а центральное отверстие головок снабжено обратно подпружиненными зигзагообразными компрессионными кольцами, по краю отверстия, в зоне сопряжения головка - поршень - внутриполая ось.

4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, имеет систему газораспределения такую, что во всех смежных рабочих камерах происходит одновременно один и тот же такт рабочего цикла, а в противолежащих, смежных между собой рабочих камерах, происходит одновременно другой такт рабочего цикла.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что, кроме прочего, имеет на каждой грани головок подпружиненные через тарелки и сухарики соответственно впускные и выпускные клапана, приводимые в движение кулачками через регулируемые рычаги, отличающийся тем, что кулачки расположены на диске, по двум концентрическим окружностям образуя кольцо соответственно впускных и кольцо выпускных клапанов, который через планетарный механизм установлен на левом и правом конце коренного вала, причем передаточное число планетарного механизма равно 0,5, а количество кулачков по каждому кольцу равно количеству лопастей поршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22