Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям с качающимися рабочими органами. Техническим результатом является упрощение конструкции механизма двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в четырехтактном двигателе, состоящем из двух соосных секций, распределительный механизм выполнен в виде внутренней трубы, вращающейся внутри качающегося полого вала, при этом время одного оборота вращающейся внутренней трубы в четыре раза больше, чем время одного полного поворота качающегося полого вала с возвратом в прежнее положение. Торцевые уплотнения имеют канавки для П-образных в сечении уплотнительных элементов с упругой прижимной лентой внутри, а внутри полого вала и качающихся поршней расположены каналы для подачи охлаждающей среды и смазки. 8 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно, к устройствам, преобразующим энергию сгорания топлива в механическую энергию вращения.

Известен роторный двигатель, содержащий цилиндрическую полость, размещенные в ней секторные лопасти, установленные на соосных валах, и механизм преобразования движения лопастей, выполненный в виде пары рычагов, соединенных с валами лопастей, и кулисы, установленной на выходном валу и взаимодействующей с роликами рычагов, в котором кулиса установлена на выходном валу шарнирно и выполнена с двумя дорожками, а рычаги выполнены двуплечими и ролики смежных концов пар рычагов установлены на кулисе с возможностью взаимодействия с соответствующей дорожкой, причем кулиса снабжена кольцевым копиром с двумя участками профиля различной высоты для обеспечения качания кулисы в плоскости рычагов [1].

Недостатком этого двигателя является сложность и ненадежность механизма преобразования движения.

Известен двигатель внутреннего сгорания с двумя качающимися поршнями в каждом сечении, полым валом и четырьмя тороидальными рабочими камерами переменного объема, в котором каждая камера имеет щель, в которой перемещается кольцо, жестко связанное с поршнями и обеспечивающее герметичность рабочих камер, а кинематическая связь поршней и выходного вала выполнена в виде сдвоенного кривошипно-шатунного механизма с общим ползуном, при этом кривошип одного механизма жестко соединен с полым внутренним валом, а кривошип другого - с выходным валом. Двигатель имеет два распределительных вала, управляющих клапанами впуска и выпуска заряда [2].

Недостатком этого двигателя являются сложность конструкции кинематического и распределительного механизмов.

Задача изобретения - упрощение конструкции механизма преобразования движения и уменьшение числа звеньев конструкции.

Технический результат - упрощение технологии изготовления двигателя и повышение его надежности.

Для достижения этого в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания с распределительным механизмом, содержащем секции из двух соосных рабочих камер, форма которых образована поворотом некоторой фигуры вокруг внешней оси и которые имеют по одному полому поршню, качающемуся между неподвижными торцами и жестко связанному с поворотным полым валом, соосным с внешней осью рабочих камер и связанным механизмом преобразования с выходным валом двигателя, рабочие камеры имеют прямоугольную в сечении форму, а одной из стенок переменного объема является поворотный полый вал, механизм преобразования выполнен в виде кривошипно-коромыслового механизма, распределительный механизм выполнен в виде внутренней трубы, вращающейся внутри качающегося полого вала и имеющей полости для свежего и сгоревшего зарядов, а также каналы к этим полостям, причем в стенках внутренней трубы и полого вала имеются отверстия, расположение которых обеспечивает их эпизодическое совмещение, время одного оборота вращающейся внутренней трубы в четыре раза больше, чем время одного полного поворота качающегося полого вала с возвратом в прежнее положение, уплотнения для соприкасающихся стенок у поршней и торцов имеют канавки для П-образных в сечении уплотнительных элементов с упругой прижимной лентой внутри, внутри полого вала и качающихся поршней расположены каналы для подачи охлаждения и смазки.

Существенность отличий обосновывается следующим образом:

- прямоугольная форма камеры упрощает конструкцию и процесс ее изготовления,

- уплотнения в канавках с П-образными уплотнительными элементами и с упругой прижимной лентой внутри них связаны с необходимостью обеспечивать герметичность рабочих камер, имеющих три стенки,

- выполнение распределительного механизма в виде соприкасающихся внутренней трубы и полого вала с отверстиями в их стенках упрощает конструкцию, позволяя избавиться от конструктивной сложности обычного распределительного механизма (кулачков, распределительного вала, стержней и клапанов)

- медленность вращения внутренней трубы по сравнению с качанием полого вала позволяет за счет соответствующего расположения отверстий на стенке внутренней трубы обеспечить чередование открытия и неоткрытия клапанов при нахождении поршней вблизи мертвых точек.

На фиг.1 представлена пространственная кинематическая схема двигателя - поршневая группа и кривошипно-коромысловый механизм (без распределительного механизма) в момент равноудаления поршня от торцов, на фиг.2 - продольнный разрез двигателя в момент равноудаления поршней от торцов. Сечения А-А, Б-Б и В-В проведены через отверстия впуска и выпуска в рабочих камерах. На Фиг.3 показан поперечный разрез двигателя по А-А через отверстия впуска в момент равноудаления поршней от торцов, на фиг.4 - поперечный разрез двигателя по А-А через отверстия впуска в момент удаления поршня от правого торца (впуск заряда в правый рабочий объем), на фиг.5 - поперечный разрез двигателя Б-Б через отверстия впуска в момент удаления поршня от левого торца (впуск заряда в левый рабочий объем), на фиг.6 - поперечный разрез двигателя по В-В через отверстия выпуска в момент приближения поршня к правому торцу (выпуск сгоревшего заряда из правого рабочего объема), на фиг.7 - внешний вид возвратно-поворотной части двигателя без коромысла (поршни и поворотная полая труба), на фиг.8 - разрезы П-образных уплотнений у стенок поршней.

На фиг.2-7 звенья кривошипно-коромыслового механизма не указаны. Для наглядности зазоры между соприкасающимися поверхностями резко увеличены. Подача охлаждения на фиг.2 указана схематически одной линией.

Каждая секция двигателя содержит две камеры 1 и 2 прямоугольного поперечного сечения с двумя переменными объемами каждая, качающиеся поршни 3, жестко закрепленные на поворотном полом валу 4 с отверстиями для впуска 5 и выпуска 6 заряда, внутренняя поворотная труба 7 с отверстиями впуска 8 и выпуска 9 заряда. Внутри трубы 7 имеются полости для свежего 10 и сгоревшего 11 заряда, каналы для этих зарядов 12 и 13, коромысло 14 на полом валу 4, шатун 15, вращающийся кривошип 16, выходной вал 17, П-образное уплотнение 18 для соприкасающихся стенок с упругой прижимной лентой 19, каналы подачи охлаждения 20 и смазки 21. Передача вращения с передаточным отношением 4:1 между выходным валом 17 и внутренней трубой 7 не указана.

Двигатель работает следующим образом. Каждый переменный объем камер 1 и 2 двигателя работает по четырехтактной схеме - впуск заряда, сжатие его, поджигание с рабочим ходом и выпуск отработавшего заряда. Впуск и выпуск осуществляются за счет эпизодического совмещения отверстий 8 и 9 во внутренней трубе 7 и отверстий 5 и 6 в полом валу 4, а сжатие и рабочий ход создаются в замкнутых объемах между поршнями 3 и торцами. Каждый переменный объем по одну сторону качающегося поршня 3 работает как переменный объем в обычном, прямолинейном двигателе внутреннего сгорания, так что в двух камерах 1 и 2 теперь можно осуществлять рабочие ходы по разные стороны от оси качания, т.е. свести динамику движения к моменту сил, а не просто к одной удвоенной силе. (Эта динамика позволяет разгрузить подшипники и тем самым увеличить срок службы двигателя). Качательное движение полого вала 4 с помощью кривошипа 14, шатуна 15 и кривошипа 16 преобразуется во вращательное движение выходного вала 17. Вращение последнего с помощью неуказанной шестеренной передачи на внутреннюю трубу 7 и создает вращение этой трубы, замедленное в два раза. Такое замедление позволяет нужным образом управлять перетеканием заряда.

При рабочем ходе в одном объеме одной из камер поршни 3 двигаются, создавая в других трех объемах двух камер оставшиеся такты - сжатие одного заряда, впуск другого и выпуск третьего. Перемещение поршней 3, т.е. полого вала 4 относительно внутренней трубы 4, создает нужное совмещение отверстий в них и тем самым обеспечивает нужное управление впуском и выпуском зарядов.

После достижения поршнями 3 торцов камер процесс повторяется в обратном направлении. Таким образом, поршни 3 возвратно-поворотно движутся между торцами, обеспечивая через полый вал 4 качательное движение коромысла 14 и далее через шатун 15 вращение кривошипа 16 выходного вала 17.

Одному полному обороту вращающейся внутренней трубы 7 соответствует два полных качания полого вала 4, так что при соответствующем расположении отверстий 8 и 9 на внутренней трубе 7 и отверстий 5 и 6 на полом валу 4 можно обеспечить чередование совпадения-несовпадения соответствующих отверстий и значит обеспечить определенный режим перетекания заряда для выполнения четырехтактного рабочего цикла двигателя. Существенно, что совпадение отверстий вблизи мертвой точки хода поршня 3 (предельном положении коромысла 14) за счет замедленного в четыре раза вращения полого вала 4 будет осуществляться через раз, обеспечивая перекрытие отверстий при сжатии и рабочем ходе.

Термодинамика этого двигателя с качательным движением поршня не отличается от термодинамики обычного двигателя с возвратно-поступательным движением поршня, а динамика нагрузок легко подсчитывается по формулам теоретической механики.

Таким образом, двигатель содержит четыре кинематических звена:

- одно возвратно-поворотное звено (жестко связанные между собой полый вал 4, коромысло 14, поршни 3). Это звено кинематически обеспечивает преобразование химической энергии заряда в качательное движение поршня за счет создания переменных объемов в камерах 1 и 2;

- два вращающихся звена (внутренняя труба 7 и кривошип 16 с выходным валом 17). Эти два звена связаны между собой шестеренчатой передачей для управления распределительным механизмом, обеспечивающей замедленное движение внутренней трубы 7 по сравнению с полым валом 4. Выходной вал 17 передает движение дальше, а внутренняя труба 7 обеспечивает совмещение своих отверстий 8 и 9 с отверстиями 5 и 6 в полом валу 4 для управления движением зарядов;

- шатун 15, передающий движение от качающегося коромысла 14 вращающемуся кривошипу 16.

При качательном движении тела его инерционность определяется уже не массой М, а моментом инерции М·r ², т. е. при небольшом диаметре двигателя становится сравнительно малой. Это обстоятельство позволяет иметь достаточно большое число оборотов.

Малое количество кинематических звеньев, т.е малое количество шарнирных соединений между ними, заметно уменьшает износ и облегчает подачу охлаждения и смазки к поршням.

Достоинством двигателя является и возможность нанизывания на полый вал 4 нескольких секций из таких пар рабочих камер 1 и 2 без создания новых кинематических звеньев и шарнирных соединений, что уменьшает механический износ и массу двигателя, повышает его КПД и срок службы.

Источники информации

1. А.с. СССР N 1318704, F 02 В 55/00, 1985.

2. Патент РФ N 2119070, F 02 В 53/00, 1996.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный с распределительным механизмом, содержащий секции из двух соосных рабочих камер, форма которых образована поворотом некоторой фигуры вокруг внешней оси и которые имеют по одному полому поршню, качающемуся между неподвижными торцами и жестко связанному с поворотным полым валом, соосным с внешней осью рабочих камер и связанным механизмом преобразования с выходным валом двигателя, отличающийся тем, что рабочие камеры имеют прямоугольную в аксиальном сечении форму, а одной из стенок переменного объема является поворотный полый вал, механизм преобразования выполнен в виде кривошипно-коромыслового механизма, распределительный механизм выполнен в виде внутренней трубы, вращающейся внутри качающегося полого вала и имеющей полости для свежего и сгоревшего зарядов, а также каналы к этим полостям, причем в стенках внутренней трубы и полого вала имеются отверстия, расположение которых обеспечивает их эпизодическое совмещение, время одного оборота вращающейся внутренней трубы в четыре раза больше, чем время одного полного поворота качающегося полого вала с возвратом в прежнее положение, уплотнения для соприкасающихся стенок у поршней и торцов имеют канавки для П-образных в сечении уплотнительных элементов с упругой прижимной лентой внутри, внутри полого вала и качающихся поршней расположены каналы для подачи охлаждения и смазки.

РИСУНКИ