Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит два идентичных соосно установленных ротора с цилиндрами и поршнями в виде участков тора. Каждый ротор снабжен двумя осесимметричными тороидальными цилиндрами и поршнями, которые образуют четыре рабочие камеры с камерами сгорания в форме цилиндра со сферическим куполом и плоским дном, выполненными наполовину в головке соответствующих цилиндра и наполовину в днище поршня, а плоское дно камеры сгорания является окном газообмена. Окно газообмена снабжено кольцевым уплотнением Г-образного профиля, которое прижимается к газораспределительному кольцевому зеркалу пружинистым U-образного профиля (в виде гофры сильфона) кольцом. Два газораспределительных окна первого ротора перекрываются газораспределительным кольцевым зеркалом корпуса двигателя, а два окна второго ротора - зеркалом передней крышки корпуса двигателя. Газораспределительные зеркала снабжены впускными и выпускными окнами, которые взаимосвязаны соответственно с впускными и выпускными каналами - коллекторами, а также отверстиями для свечи зажигания или форсунки. Изобретение позволяет повысить удельную мощность и уменьшить вибрации. 11 ил.

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания и предназначено для областей техники, где применяются двигатели внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, ротор постоянной скорости вращения, снабженный цилиндрами с основными рабочими камерами и крышками, установленный соосно с ним ротор переменной скорости вращения, снабженный поршнями, причем цилиндры и поршни выполнены в виде участков тора, газораспределительное зеркало, снабженное расположенными по окружности впускным и выпускным каналами и механизм периодического изменения скорости вращения одного из роторов (Аналог. Патент Франции N 2211044, кл. F 02 B 53/00, опубл. 1974).

Однако известный двигатель характеризуется недостаточной организацией процесса газообмена, обусловленной тем, что в то время, когда поверхности цилиндров не перекрывают впускной канал газораспределительного зеркала, рабочая смесь имеет возможность поступать в полости корпуса, что приводит к ее повышенному расходу.

Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, ротор постоянной скорости вращения, снабженный цилиндрами с основными рабочими камерами и крышками, установленный соосно с ним ротор переменной скорости вращения, снабженный поршнями, причем цилиндры и поршни выполнены в виде участков тора, газораспределительное зеркало, снабженное расположенными по окружности впускным и выпускным каналами и механизм периодического изменения скорости вращения одного из роторов. С целью улучшения процесса газообмена у этого двигателя ротор постоянной скорости вращения выполнен в виде диска с окнами газообмена, снабженными уплотнителями, крышки выполнены за одно целое с диском и последний контактирует с поверхностью газораспределительного зеркала с возможностью полного перекрытия его впускного и выпускного каналов.

(Прототип. А.С. N 1278475 F 02 B 53/00 Бюл. N 47 23.12.86.) Существенным недостатком прототипа является то, что в нем нерационально используется, на наш взгляд, рабочее пространство корпуса, т.к. он имеет только две рабочие камеры, хотя путем конструктивных изменений можно значительно увеличить их общий рабочий объем без увеличения габаритов корпуса двигателя. К тому же прототип имеет один ротор постоянной скорости вращения, а второй ротор-переменной, в результате неизбежны значительные неуравновешенные инерционные силы, которые вызывают существенную вибрацию и ограничивают скорости вращения роторов, что снижает удельную мощность двигателя. Наличие вытянутой по форме камеры сгорания отрицательно влияет на коэффициент наполнения и создает благоприятные условия для возникновения детонации.

Три концентрично установленные уплотнительные кольца окон газообмена имеют достаточно высокие удельные давления на газораспределительное зеркало, приводящее к повышенному износу трущихся поверхностей.

Цель изобретения - повышение удельной мощности и уменьшение вибрации.

Указанная цель достигается тем, что применены два соосно установленных ротора, которые вращаются с переменной скоростью, и в любой момент времени имеют одинаковые по величине и противоположно направленные (взаимно уравновешенные) инерционные силы, для чего каждый ротор снабжен двумя осесимметричными тороидальными цилиндрами с поршнями, образующими четыре рабочие камеры с камерами сгорания в форме цилиндра со сферическим куполом и плоским дном, каждая из которых выполнена наполовину в головке соответствующих цилиндра и наполовину в днище поршня, и расположенным в плоском дне камеры сгорания окном газообмена с Г-образного профиля кольцевым уплотнением, подпружиненным к газораспределительному зеркалу U - образного профиля кольцом, а также установленной неподвижно в газораспределительном зеркале свечой зажигания, и подключен к механизму периодического изменения скорости вращения роторов с одинаковыми по величине и противоположными по знаку ускорениями в виде двух пар идентичных эллиптических зубчатых колес, два из которых установлены соосно и закреплены на валах роторов, а два установлены на выходном валу.

На фиг. 1, 3, 5, 7 изображена принципиальная схема продольного разреза двигателя в различные моменты рабочего процесса. На фиг. 2, 4, 6, 8 - соответственно поперечного разреза двигателя. На фиг. 9 изображена конструктивная схема двигателя (продольный разрез). На фиг. 10 - поперечный разрез двигателя. На фиг. 11 - камера сгорания с уплотнением окна газообмена.

Двигатель внутреннего сгорания содержит два идентичных соосно установленных ротора с цилиндрами и поршнями в виде участков тора. Первый ротор (изображен сплошными линиями) представляет собой осесимметричные цилиндры 1 и 2, взаимосвязанные посредством перемычки 3. К головкам цилиндров 1 и 2 прикреплены своими штоками поршни 4 и 5. Ротор может вращаться вокруг оси (вала) 0. Второй ротор (изображен линиями с точками) представляет собой осесимметричные цилиндры 6 и 7, взаимосвязанные посредством перемычки 8. Аналогично к головкам цилиндров 6 и 7 прикреплены поршни 9 и 10. Второй ротор также может вращаться вокруг оси 0. Поршни снабжены уплотнительными кольцами 11 (например, двумя компрессионными и одним маслосъемным). Так как роторы расположены на одной оси 0 и имеют возможность только вращательного (углового) движения, то выдерживается заданный (конструктивный) кольцевой зазор между цилиндром и поршнями (т.е. трутся о поверхности цилиндров только уплотнительные кольца 11), что позволяет повысить механический КПД двигателя. Каждый ротор снабжен двумя осесимметричными цилиндрами и поршнями, которые образуют четыре рабочие камеры с камерами сгорания в форме цилиндра со сферическим куполом и плоским дном, выполненными наполовину в головке соответствующих цилиндра и наполовину в днище поршня, а плоское дно камеры сгорания является окном газообмена. Окно газообмена снабжено кольцевым уплотнением Г-образного профиля 12 (фиг. 9 и 11), которое прижимается к газораспределительному кольцевому зеркалу U - образного профиля (в виде гофры сильфона) кольцевой пружиной 13 (фиг. 11). Два окна газообмена 14 и 15 первого ротора перекрываются газораспределительным кольцевым зеркалом 16 (фиг. 1, 3, 5 и 7) корпуса двигателя 17 (фиг. 9). А два окна газообмена 18 и 19 второго ротора перекрываются газораспределительным кольцевым зеркалом 20 (фиг. 1, 3, 5 и 7) передней крышки 21 (фиг. 9) корпуса двигателя. Газораспределительные зеркала снабжены впускными 22 и выпускными 23 каналами, которые взаимосвязаны соответственно с впускными 24 и выпускными 25 коллекторами (фиг. 10). В верхней части газораспределительные зеркала снабжены отверстиями 26, в которых у карбюраторных двигателей могут быть установлены неподвижно свечи зажигания (у дизелей - форсунки). Первый ротор жестко связан с полым валом 27, на котором закреплено эллиптическое зубчатое колесо 28. второй ротор жестко связан (фиг. 9) с валом 0, установленном на радиально-упорных подшипниках 29 и 30 и проходящем через полый вал 27 (полый вал установлен посредством, например, бронзовых втулок 31 и 32 на валу 0). На валу 0 закреплено эллиптическое зубчатое колесо 33. Колеса 28 и 33 находятся в зацеплении соответственно с эллиптическими зубчатыми колесами 34 и 35, закрепленными жестко на выходном валу 36, установленном на подшипниках 37 и 38. Большие оси (или малые) колес 34 и 35 расположены взаимно перпендикулярно. Колеса 28 и 33 ориентированы соответственно к первому и второму роторам так, что в положении цилиндров и поршней в середине хода (такта) (фиг. 4 и 8) большие оси (или малые) этих колес взаимно перпендикулярны. Все четыре эллиптические колеса идентичны и имеют четное число зубьев, не кратное четырем. Цилиндры и поршни имеют полости для жидкостного охлаждения. Подшипники 30 и 38 (фиг. 9) установлены в задней крышке 39 корпуса 17 двигателя. Снизу к корпусу 17 двигателя крепится картер 40. Первый ротор (цилиндры 1 и 2, поршни 4 и 5) снабжен зубчатым венцом 41 для запуска двигателя электростартером. Охлаждающая жидкость подводится к цилиндрам и поршням по каналу 42 вала (оси) 0. Вал 0 служит также для привода прерывателя зажигания (карбюраторный двигатель) или привода топливного насоса (дизель).

Работает двигатель следующим образом. Все четыре такта рабочего процесса двигателя осуществляются за один оборот ротора, т.е. каждый такт осуществляется за четверть оборота ротора. В 1-й четверти оборота ротора (фиг. 2, 4, 6 и 8) происходит впуск, во второй - сжатие, в 3-й - рабочий ход, в 4-й - выпуск. Когда в рабочей камере (начало 1-й четверти), образуемой цилиндром 2 и поршнем 9, происходит конец выпуска и начало впуска через выпускной канал 23 и впускной канал 22 (фиг. 2) газораспределительного зеркала 16 (фиг. 1) и окна газообмена 15 (фиг. 2); то одновременно в рабочей камере (начало 2-й четверти), образуемой цилиндром 6 и поршнем 4, происходит конец впуска и начало сжатия (фиг. 2), окно газообмена 18 начинает перекрываться газораспределительным зеркалом 20; в рабочей камере (начало 3-й четверти), образуемой цилиндром 1 и поршнем 10 (фиг. 2), в это время происходит конец сжатия и начало рабочего хода, где окно газообмена 14 перекрыто газораспределительным зеркалом 16; в рабочей камере (начало 4-й четверти), образуемой цилиндром 7 и поршнем 5 (фиг. 2), в это время происходит конец рабочего хода и начало выпуска, окно газообмена 19 начинает открываться выпускным каналом 23 газораспределительного зеркала 20. В указанных положениях поршни находятся в положении "мертвых точек".

При вращении выходного вала 36 с постоянной угловой скоростью роторы (первый и второй), связанные с валом 36 через эллиптические зубчатые колеса, вращаются с переменной угловой скоростью. Когда в рабочей камере цилиндра 2 и поршня 9 происходит впуск (1-я четверть, фиг. 3 и 4) первый ротор (цилиндры 1 и 2); поршни 4 и 5 и перемычка 3) вращается с замедлением, а второй ротор (цилиндры 6 и 7; поршни 9 и 10 и перемычка 8) вращается с ускорением. Так происходит потому, что (фиг. 4) в этот момент радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 28 больше радиуса зацепления эллиптического зубчатого колеса 34 и колесо 28 (т.е. первый ротор) вращается с меньшей угловой скоростью, чем выходной вал 36. В этот же момент (фиг. 4) радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 33 меньше радиуса зацепления эллиптического зубчатого колеса 35 и колесо 33 (т.е. второй ротор) вращается с большей угловой скоростью, чем выходной вал 36. В результате (фиг. 4) поршень 9 и головка цилиндра 2 расходятся и происходит впуск; одновременно поршень 4 и головка цилиндра 6 сходятся и происходит сжатие; поршень 10 и головка цилиндра 7 сходятся и происходит выпуск. Когда в рабочей камере цилиндра 2 и поршня 9 происходит сжатие (2-я четверть, фиг. 7 и 8), первый ротор (цилиндры 1 и 2, поршни 4 и 5 и перемычка 3) вращается с ускорением а второй ротор (цилиндры 6 и 7, поршни 9 и 10 и перемычка 8) вращается с замедлением. Так происходит потому, что (фиг. 8) в этот момент радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 28 меньше радиуса зацепления эллиптического зубчатого колеса 34 и колесо 28 (т.е. первый ротор) вращается с большей угловой скоростью, чем выходной вал 36. В этот же момент (фиг. 8) радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 33 больше радиуса зацепления эллиптического зубчатого колеса 35 и колесо 33 (т.е. второй ротор) вращается с меньшей угловой скоростью, чем выходной вал 36. В результате (фиг. 8) поршень 9 и головка цилиндра 2 сходятся и происходит сжатие; одновременно поршень 4 и головка цилиндра 6 расходятся и происходит рабочий ход; поршень 10 и головка цилиндра 1 сходятся и происходит выпуск; поршень 5 и головка цилиндра 7 расходятся и происходит впуск. Аналогичные процессы происходят и в случаях, когда цилиндр 2 и поршень 9 находятся в 3-й четверти и в 4-й четверти. К впускным каналам 22 газораспределительных зеркал 16 и 20 подводится рабочая смесь (карбюраторный двигатель) или воздух (дизель) по впускному коллектору 24. От выпускных каналов 23 газораспределительных зеркал 16 и 20 выпускные газы отводятся по выпускному коллектору 25. Когда окна газообмена 14 или 15 первого ротора оказываются в конце такта сжатия (конец 2-й четверти) в камеры сгорания через окна газообмена подается искра от свечи зажигания (карбюраторный двигатель) или впрыскивается топливо через форсунку (дизель). Свеча (или форсунка) находится в отверстии 26 газораспределительного зеркала 16. Аналогичным образом у второго ротора через окна газообмена 18 или 19 в камеры сгорания подается искра от свечи или впрыскивается топливо через форсунку. Свеча (или форсунка) находится в отверстии 26 газораспределительного зеркала 20.

Кинематическую цепь двигателя с точки зрения возникновения крутящего момента M_k на выходном валу 36 можно представить следующим образом, принимая условные обозначения.

1. В момент начала рабочего хода (фиг. 2): Q'₁ - равнодействующая давления газов на головку цилиндра; Q''₁ - равнодействующая давления газов на поршень; R - радиус тора; r₂₈ - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 28; r₃₃ - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 33; r₃₄ - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 34; r₃₅ - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 35; Q'_r - окружное усилие в зацеплении эллиптических зубчатых колес 28 и 34;
Q''_r - окружное усилие в зацеплении эллиптических зубчатых колес 33 и 35.

2. В середине хода (такта) поршней (фиг. 4):
Q'₂ - равнодействующая давления газов на головку цилиндра;
Q''₂ - равнодействующая давления газов на поршень;
r₂₈=a - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 28;
r₃₃=b - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 33;
r₃₄=b - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 34;
r₃₅a - радиус зацепления эллиптического зубчатого колеса 35.

Остальные обозначения аналогичны обозначениям на фиг. 2.

1. Когда поршни находятся в "мертвых точках" (фиг. 2), имеем следующее: r₂₈ = r₃₃ = r₃₄ = r₃₅ = r;
M_к = Q''_r·r₃₅-Q'_r·r₃₄=r·(Q''_r -Q'_r);
Q'_r·r₂₈ = Q'₁·R;
Q''_r·r₃₃ = Q''₁·R;
тогда
так как Q'₁=Q''₁ то M_к=0.

Следовательно, как и у обычных поршневых двигателей, в момент нахождения поршней в "мертвой точке" крутящий момент двигателя равен нулю.

2. Когда ротор двигателя повернется от положения "мертвых точек" на угол Δϕ (фиг. 2) имеем:
r₂₈= r+Δr; r₃₃= r-Δr; r₃₄= r-Δr; r₃₅= r+Δr;


Очевидно, что Q'₁ = Q''₁ и, обозначив эти величины через Q₁, будем иметь:

Т. е. M_к в данном случае имеет положительное значение. Следовательно, крутящий момент от Q''₁ будет больше крутящего момента от Q'₁ и вращение ротора двигателя будет по стрелке, указанной на фиг. 2.

3. Когда ротор двигателя повернется от положения "мертвых точек" на угол 45^o (т. е. когда поршни находятся в середине хода (такта), имеем (фиг. 4): r₂₈ = a; r₃₃ = b; r₃₄ = b; r₃₅ = a;
M_к=Q''_r·r₃₅-Q'_r·r₃₄=Q''_r ·a-Q'_r·b;
Q'_r·r₂₈=Q'₂·R; Q'_r=Q'₂·R/a;
Q''_r·r₃₃ = Q''₂·R; Q''_r=Q''₂·R/b;
тогда
Так как Q'₂ = Q''₂, обозначив эти величины через Q₂ , будет тогда иметь

Данное выражение тоже будет иметь положительное значение и вращение ротора двигателя будет по стрелке, указанной на фиг. 4.

Так как первый и второй роторы заявленного двигателя предусматриваются одинаковой массы, то они будут иметь одинаковые моменты инерции и вращаться в одинаковыми и противоположно направленными ускорениями, поэтому их инерционные силы (вращательные) будут уравновешиваться внутри кинематической цепи (через эллиптические зубчатые колеса) и на корпус двигателя не передадутся. Это обстоятельство позволяет существенно повысить частоту вращения роторов двигателя, а значит и его удельную мощность. Наличие же четырех рабочих камер (вместо двух, как у прототипа) позволяет к тому же удвоить удельную мощность при тех же габаритах, что выгодно отличает заявленный двигатель от известных.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с крышками, два соосно установленных ротора с цилиндрами и поршнями в виде участков тора, газораспределительные зеркала с расположенными по окружности впускными и выпускными каналами, механизм периодического изменения скорости вращения роторов, средства зажигания и охлаждения, отличающийся тем, что каждый ротор снабжен двумя осесимметричными тороидальными цилиндрами с поршнями, образующими четыре рабочие камеры с камерами сгорания в форме цилиндра со сферическим куполом и плоским дном, каждая из которых выполнена наполовину в головке соответствующих цилиндра и наполовину в днище поршня, и расположенным в плоском дне камеры сгорания окном газообмена с Г-образного профиля кольцевым уплотнением, подпружиненным к газораспределительному зеркалу U-образного профиля кольцом, а также установленной неподвижно в газораспределительном зеркале свечой зажигания, и подключен к механизму периодического изменения скорости вращения роторов с одинаковыми по величине и противоположными по знаку ускорениями в виде двух пар идентичных эллиптических зубчатых колес, два из которых установлены соосно и закреплены на валах роторов, а два установлены на выходном валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11