ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к области двигателестроения.

Известны двигатели внутреннего сгорания с внешним и внутренним смесеобразованием, состоящие из группы неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем, в том числе и движущихся, включая поршневую группу. Поршневая группа воспринимает давление газов в цилиндрах, преобразуя его в крутящий момент на коленчатом валу двигателя (1. Двигатели внутреннего сгорания. Изд. 4-е, переработанное и дополненное /Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. М. Машиностроение, 1983; 2. Тракторные дизели. Справочник под общей редакцией Б. А. Взорова. М.Машиностроение, 1981).

В известных конструкциях двигателей внутреннего сгорания камера сгорания обычно образована внутренней поверхностью головки цилиндра и днищем поршня. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) используют также различные конструкции разделенных камер сгорания, обеспечивающих более совершенное смесеобразование.

Наиболее близким к изобретению является ДВС, содержащий один или несколько рабочих цилиндров (секций) с разделенной камерой сгорания (см. выше ссылки 1 и 2).

Недостатками указанного двигателя являются:
а) высокое остаточное давление продуктов сгорания к моменту выпуска газов, что приводит к значительным энергетическим потерям и обуславливает необходимость установки глушителя для снижения шума;
б) открытие выпускного клапана до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки, что вызывает дополнительные потери энергии;
в) сложная система газораспределения.

Цель изобретения повышение КПД поршневых ДВС и упрощение конструкции двигателя.

Эта цель достигается тем, что:
двигатель снабжен несколькими (например, двумя) камерами сгорания, поворачивающимися в статоре синхронно с вращением коленвала;
камеры сгорания образованы лопатками ротора и чередуются с открытыми с торцов полостями, через которые происходит всасывание воздуха (горючей смеси) и выпуск отработанных газов;
процессы всасывания и сжатия происходят в одном цилиндре, а рабочий ход и выпуск в другом, объем которого превышает объем первого в 2,5 4,0 раза для бензиновых двигателей и в 2, 5,0 раз для дизелей, обеспечивая повышение КПД и снижение уровня шума до санитарных норм без глушителя;
процесс газораспределения осуществляется путем периодического перекрытия лопатками вращающегося ротора каналов, соединяющих цилиндры со статором.

Рабочая секция двигателя состоит из двух цилиндров разного диаметра и нескольких (например, двух) камер сгорания, перемещающихся в статоре синхронно с вращением коленвала. При этом ось статора может быть, как перпендикулярна (поперечное расположение), так и параллельна (продольное расположение) оси двигателя.

На фиг. 1 изображена рабочая секция ДВС с поперечным расположением статора, продольный разрез; на фиг. 2 продольный разрез статора.

Рабочая секция ДВС содержит цилиндры 1 и 2, статор 3, внутри которого соосно размещен ротор 4. Лопатки ротора образуют камеры сгорания 5 и 6, которые чередуются с полостями 7 и 8. В цилиндрах 1 и 2 размещены поршни 9 и 10, которые с помощью шатунов 11 и 12 соединены с коленвалом 13. Поршни 9 и 10 имеют уплотнительные кольца, обеспечивающие герметичную изоляцию надпоршневого объема. Цилиндры 1 и 2 соединены со статором 3 каналами 14 и 15.

Статор 3 представляет собой цилиндрическую полость, закрытую с торцов крышками 16 и 17. В корпусе статора закреплены одна или несколько (например, две) форсунок 18 и 19 для впрыскивания топлива в камеру сгорания. (В двигателе с внешним смесеобразованием закреплены одна или несколько свечей зажигания для воспламенения горючей смеси).

Кроме того, в корпусе статора 3 имеются окно 20, через которое подводится сжатый воздух для продувки камер сгорания, и окно 21, соединенное патрубком с выхлопной трубой ( не показаны). Окна 20 и 21 расположены на различных образующих цилиндра статора 3 таким образом, чтобы при вращении ротора 4 его лопатки раньше перекрывали окно 21 и затем окно 20. В крышке 17 статора 3 имеются окна 22 и 23. Окно 22 соединено с воздухозаборником (не показан), а окно 23 с выхлопной трубой.

Камеры сгорания 5 и 6 представляют собой сегментный (или секторный) цилиндр закрытый с торцов. Герметичность камер сгорания обеспечивается за счет уплотнительных элементов, размещенных в лопатках ротора 4 и прилегающих к стенкам статора 3 по образующей цилиндра. Кроме того, уплотнительные элементы размещают по периметру торцевой стенки камеры и в торцах лопаток ротора 4.

Полости 7 и 8 представляют собой сегментный (секторный) цилиндр открытый с торцов. Ротор 4 кинематически жестко связан с коленвалом 13 двигателя таким образом, чтобы при повороте коленвала на 180^o ротор поворачивался на 180/К (К количество камер сгорания в статоре).

Двигатель работает следующим образом.

В качестве исходного рассмотрим положение, когда поршни 9 и 10 в цилиндрах 1 и 2 находятся в верхней мертвой точке (н.м.т.). В этот момент ротор 4 должен занимать положение, при котором торцы его лопаток закрывают выходы каналов 14 и 15 в статоре 3. При движении поршня вниз в цилиндре 1 создается разрежение. Одновременно с перемещением поршня 9 ротор 4 поворачивается против хода часовой стрелки (на фиг. 1 направление вращения ротора 4 указано стрелкой) и его лопатки открывают канал 14, который соединяется с полостью 7. Через окно 22 в крышке 17, полость 7 и канал 14 воздух поступает в цилиндр 1. Процесс всасывания воздуха (горячей смеси в двигателе с внешним смесеобразованием) в цилиндр 1 продолжается до тех пор пока поршень 9 не достигнет нижней мертвой точки (НМТ). В этот момент концы лопаток ротора 4 вновь перекрывают каналы 14 и 15. С началом движения поршня 9 вверх воздух (горючая смесь) в цилиндре 1 сжимается. Одновременно с этим открывается канал 14, по которому сжатый воздух вытесняется в камеру сгорания 6. Процесс сжатия заканчивается при достижении поршнем 9 ВМТ. Степень сжатия воздуха (горячей смеси) определяется соотношением рабочего объема камеры сгорания 5 (или) и объема цилиндра 1.

Поршень 10 в цилиндре 2 достигает ВМТ одновременно с поршнем 9. В этот момент лопатки ротора 4 перекрывают каналы 14 и 15, и происходит впрыскивание топлива в камеру сгорания через форсунки 18 и 19 (поджиг горячей смеси с помощью свечей зажигания в двигателе с внешним смесеобразованием)
При дальнейшем повороте ротора 4 открываются каналы 14 и 15. По каналу 15 продукты сгорания устремляются в цилиндр 2 и обеспечивают рабочий ход поршня 10. Одновременно в цилиндре 1 повторяется процесс всасывания аналогично описанному выше.

Рабочий ход в цилиндре 2 продолжается до достижения поршнем 10 НМТ. В этом положении каналы 14 и 15 вновь перекрываются лопатками ротора 4. При движении поршня 10 вверх продукты сгорания через открывающийся канал 15 вытесняются из цилиндра 2 в полость 8, а из нее через окно 23 попадают в выхлопную трубу. Одновременно в цилиндре 1 повторяется процесс сжатия аналогично описанному ранее.

Для максимального использования энергии продуктов сгорания и повышения КПД двигателя соотношение рабочих объемов цилиндров 1 и 2 должно быть таким, чтобы к концу рабочего хода поршня 10 в НМТ давление в цилиндре 2 снижалось за счет расширения до атмосферного. Такое соотношение объемов цилиндров 1 и 2 является оптимальным и может быть определено из условия
P₁Vn1

Для бензиновых двигателей:
n 1,22 1,28 P₁ 0,35 0,6 НПа
Для дизелей:
n 1,15 1,3 P₂ 0,25 0,6 НПа
(Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А. С. Орлина, Н. Г. Круглова. М.Машиностроение, 1983, с. 157, табл.9).

При P₂ 0,1 НПа (атмосферное давление) пределы изменения V₂/V₁ в зависимости от показателя политропы и давления P₁ составляют
а) для бензиновых двигателей:
V₂/V₁ 2,5 4,0
б) для дизелей:
V₂/V₁ 2,0 5,0.

Соотношение объемов V₁ и V₂ предопределяет требуемое соотношение диаметров цилиндров 1 и 2 при одинаковом рабочем ходе поршней 9 и 10.

Продувка камер сгорания 5 и 6, а также полостей 7 и 8 осуществляется сжатым воздухом, поступающим через окно 20. Остаточные газы удаляются через окно 21 при прохождении окон 20 и 21 соответствующей камерой сгорания или полостью.

Двигатель внутреннего сгорания компонуется из одной или нескольких рабочих секций, передающих крутящий момент на один коленвал. Для повышения плавности хода двигателя циклы в каждой секции смещены друг относительно друга на угол (m число скомпонованных в двигателе рабочих секций).

Таким образом, установка на двигателе нескольких (например, двух) камер сгорания, разделенных между собой открытыми с торцов полостями и поворачивающихся в статоре синхронно с вращением коленвала, является существенным отличием от известных прототипов и позволяет:
выполнять сжатие воздуха (горючей смеси) в цилиндре 1, а рабочий ход в цилиндре 2, объем которого превышает объем первого в 2,5 4,0 раза для бензиновых двигателей и 2,0 5,0 раза для дизелей, чем достигается цель -повышение КПД ДВС и упрощение его конструкции, поскольку уровень шума снижается до санитарных норм без глушителя;
возможность отказаться от сложной системы газораспределения и осуществлять процесс газораспределения путем перекрытия лопатками вращающегося ротора 4 каналов 14 и 15, соединяющих цилиндры 1 и 2 со статором 3, чем достигается цель, а именно упрощение конструкции двигателя.

Использование: энергетика, двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит одну или несколько рабочих секций, каждая из которых имеет статор 3 с торцовыми крышками, ротор 4, два цилиндра 1 и 2. В цилиндрах 1 и 2 установлены поршни 9 и 10 с образованием рабочих полостей. Поршни 1 и 2 связаны с коленчатым валом 13. Каждая секция имеет камеры 5 и 6 сгорания, сообщенные с рабочими полостями. Камеры 5 и 6 сгорания образованы вращающимся синхронно с коленчатым валом 13 ротором 4. Торцовые крышки выполнены с двумя зеркально расположенными отверстиями, ротор 4 - с возможностью образования в статоре дополнительных полостей, посредством которых камеры отделены одна от другой, один из цилиндров выполнен рабочим и имеет объем, превышающий объем второго цилиндра в 2,5 - 4,0 раза для бензиновых двигателей и в 2,0 - 5,0 раз для дизельных двигателей. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий одну или несколько рабочих секций, каждая из которых имеет статор с торцевыми крышками и ротор, два цилиндра с установленными в них с образованием рабочих полостей поршнями, связанными с коленчатым валом, и одну или несколько сообщенных с рабочими полостями камер сгорания, образованных вращающимся синхронно с коленчатым валом ротором, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения КПД, торцевые крышки выполнены с двумя зеркально расположенными отверстиями, а ротор с возможностью образования в статоре дополнительных полостей, сообщенных при помощи последних с окружающей средой и отделяющих рабочие камеры одну от другой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что один из цилиндров выполнен рабочим и имеет объем, превышающий объем второго цилиндра в 2,5 4,0 раза для бензиновых двигателей и в 2 5 раз для дизельных двигателей.