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

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве двигателя с поджигом рабочей смеси, преимущественно ротационного типа, в автомобильной, авиационной и других отраслях.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий кольцевую камеру, по крайней мере четыре плунжера, установленные в кольцевой камере с возможностью вращения в одном направлении вокруг оси кольцевой камеры посредством фиксаторов направления, при этом плунжеры, расположенные противоположно оси вращения, попарно жестко соединены между собой, стопор, выполненный с возможностью ограничения хода пары жестко соединенных плунжеров относительно хода другой пары жестко соединенных плунжеров, канал впуска и канал выпуска, выполненные в стенке кольцевой камеры, и устройство поджига, установленное в стенке кольцевой камеры [1]
Преимуществами такого двигателя по сравнению с обычными поршневыми являются простота получения вращательного момента на валу, так как не требуется использования коленчатого вала, толкателей и т.п. высокая надежность.

Недостатками двигателя являются невысокая мощность и низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено сложностью обеспечения герметизации перемещающихся элементов. Для повышения мощности в техническом решении [1] введен дополнительный поджиг рабочей смеси посредством установки второй свечи в камере и введена симметричная вторая кольцевая камера, выполненная идентично первой, что усложняет конструкцию.

Наиболее близким к изобретению по максимальной совокупности сходных существенных признаков является двигатель внутреннего сгорания, содержащий кольцевую камеру, четыре плунжера, установленные в кольцевой камере с возможностью вращения в одном направлении вокруг оси кольцевой камеры посредством фиксаторов направления, при этом плунжеры, расположенные противоположно относительно оси вращения, попарно жестко соединены между собой посредством дисков, уплотнения, установленные на плунжерах, стопор, выполненный с возможностью ограничения хода пары жестко соединенных плунжеров относительно хода другой пары жестко соединенных плунжеров, канал впуска и канал выпуска, выполненные в стенке кольцевой камеры, и устройство поджига, установленное в стенке кольцевой камеры [2]
В этом двигателе плунжеры снабжены уплотнениями, что несколько повышает мощность и КПД двигателя. Кроме того, механизм преобразования прерывистого движения вала в непрерывное вращательное движение имеет простую конструкцию, состоящую из одной шестерни и двух полушестерен.

Вместе с тем, в отличие от технического решения по [1] двигатель имеет более сложную конструкцию стопора в виде штифтов, вводимых через стенку кольцевой камеры, что ухудшает ее герметизацию.

Основным ограничением технического решения по [2] является ненадежность и невысокая степень герметизации плунжера относительно кольцевой камеры, что связано с необходимостью выполнения уплотнений между плунжером и стенкой кольцевой камеры, между плунжером и диском другого плунжера (так как они расположены на одном валу), между плунжером и двумя боковыми стенками кольцевой камеры, а т. к. плунжер выполнен в плоскости, проходящей через ось вращения в форме прямоугольника, то при нагревании рабочей смеси происходит различное изменение размеров уплотнения и плунжера в различных направлениях, что обуславливает различие в силах трения, возможность просачивания газов и, как следствие, падение мощности двигателя и уменьшение его коэффициента полезного действия.

Задача изобретения повышение выходной мощности и КПД двигателя, улучшение надежности двигателя за счет повышения износостойкости при уменьшенном количестве деталей.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является улучшение уплотнения плунжера, обеспечение равномерного распределения сил трения движущихся деталей, уменьшение габаритов устройства.

Для решения задачи с достижением технического результата в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем кольцевую камеру, четыре плунжера, установленные в кольцевой камере с возможностью вращения в одном направлении вокруг оси кольцевой камеры посредством фиксаторов направления, при этом плунжеры, расположенные противоположно относительно оси вращения, попарно жестко соединены между собой посредством дисков, уплотнения, установленные на плунжерах, стопор, выполненный с возможностью ограничения хода пары жестко соединенных плунжеров относительно хода другой пары жестко соединенных плунжеров, канал впуска и канал выпуска, выполненные в стенке кольцевой камеры, и устройство поджига установленное в стенке кольцевой камеры, согласно изобретению внутри кольцевая камера выполнена в форме тора, образованного внешним кольцом, внутренняя поверхность которого выполнена с вогнутостью, которая в продольном относительно оси вращения сечении выполнена в виде полуокружности, поверхности дисков, обращенные к внешнему кольцу выполнены с вогнутостями, которые в продольном относительно оси вращения сечении выполнены в виде четвертей окружности, вогнутость внешнего кольца сопряжена с вогнутостями дисков с образованием окружности, плунжеры выполнены в форме сектора тора, а уплотнение выполнено в виде компрессионного кольца, установленного на круглой поверхности сектора тора.

Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
были введены уплотнительные кольца, установленные в плоскостях разъема внешнего кольца и дисков и в плоскости разъема дисков;
стопор был выполнен в виде штифтов, установленных на поверхностях дисков, обращенных друг к другу, а под каждый из штифтов одного диска в другом диске выполнены проточки в виде дуги;
фиксатор направления был выполнен в виде двух кольцевых крышек, закрепленных на внешнем кольце с возможностью поджатия дисков друг к другу, в дисках выполнены пазы с сужением в сторону направления вращения, введены шарики, которые подпружинены со стороны, противоположной сужению паза.

В изобретении использована та особенность, что как в известном устройстве, так и в предлагаемом диски установлены с возможностью вращения внутри внешнего кольца. Однако, в известном устройстве они выполняют только функцию фланцев для крепления плунжеров, а в предлагаемом они выполняют также функцию стенок кольцевой камеры.

За счет выполнения дисков описанным образом, выполнения плунжера в форме сектора тора, а уплотнения плунжера в форме сектора тора, а уплотнения плунжера в виде компрессионного кольца, удалось решить задачу с достижением технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенного ниже лучшего варианта осуществления устройства со ссылками на рисунки.

На фиг. 1 изображен двигатель внутреннего сгорания вдоль оси вращения, разрез; на фиг. 2 то же, сечение поперек оси вращения; на фиг. 3 - конструкция фиксатора направления, вид вдоль оси вращения с внешней стороны диска.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1 и 2) содержит кольцевую камеру 1, четыре плунжера 2-5, установленные в кольцевой камере 1 с возможностью вращения в одном направлении вокруг продольной оси кольцевой камеры 1 посредством фиксаторов направления (фиг. 3) Плунжеры 2 и 3, 4 и 5, расположенные противоположно относительно оси вращения, попарно жестко соединены между собой посредством дисков 6 и 7 (фиг. 1), уплотнения 8 установлены на плунжерах 2-5. Стопор (фиг. 3) выполнен с возможностью ограничения хода пары жестко соединенных плунжеров 2 и 3 относительно хода другой пары жестко соединенных плунжеров 4 и 5. Канал впуска 9 и канал выпуска 10 выполнены в стенке кольцевой камеры 1, а устройство 11 поджига, например, свеча, также установлено в стенке кольцевой камеры 1.

Кольцевая камера 1 выполнена в форме тора (фиг. 1 и 2). Тор образован внешним кольцом 12, внутренняя поверхность которого выполнена в виде полуокружности (фиг. 1). Поверхности дисков 6 и 7, обращенные к внешнему кольцу 12, выполнены в виде четвертей окружности. При сопряжении внешнего кольца 12 и дисков 6 и 7 образуется полная окружность (фиг. 1). Плунжеры 2 5 (фиг. 1 и 2) выполнены в форме сектора тора. Уплотнения 8 выполнены в виде компрессионных колец (фиг. 2), установленных на круглой поверхности плунжеров 2 5.

Как видно из приведенных чертежей (фиг. 1 и 2) в конструкции удается обеспечить надежное уплотнение 8 плунжеров 2 5, которые являются наиболее нагреваемыми деталями при возгорании рабочей смеси, при этом так как плунжеры 2 5 жестко соединены с дисками 6 и 7 соответственно, которые вращаются совместно со своими плунжерами 2,3 и 4,5, удается обеспечить эффективный отвод тепла и практически одинаковое теплораспределение, что обеспечивает равномерность распределения сил трения движущихся деталей ввиду симметричности конструкции. Вращение дисков 6 и 7 способствует также дополнительному охлаждению конструкции.

За счет улучшения уплотнений 8 плунжеров 2 5 удается исключить просачивание газов и, как следствие, увеличить мощность двигателя и его КПД, а за счет равномерного распределения сил трения повысить износостойкость.

Так как диски 6 и 7 выполняют функции фланцев плунжеров 2 5 и стенок кольцевой камеры 1, то габариты устройства могут быть уменьшены. Упрощаются конструкции фиксатора направления и стопора, которые могут быть смонтированы непосредственно в дисках 6 и 7, что дополнительно упрощает конструкцию и уменьшает ее габариты.

Решение же задачи уплотнений стенок кольцевой камеры 1 облегчается, поскольку температурные градиенты в этом случае имеют меньшие величины, чем температурные градиенты плунжеров 2 5, при этом за счет дополнительного охлаждения (воздушного или водяного) стенок кольцевой камеры 1 можно значительно уменьшить коэффициенты теплового расширения материалов.

Как и в любых других конструкциях, в которых используется уплотнение вращающихся деталей, в заявленном техническом решении могут быть использованы различные по конфигурации уплотнительные кольца 13 (фиг. 1), установленные в плоскостях разъема внешнего кольца 12 с дисками 6 и 7, а также в плоскости разъема между самими дисками 6 и 7. Уплотнительные кольца 13 могут быть выполнены из материала с низким коэффициентом трения и высокой теплостойкостью, например, из графита. Возможно применение и других различных конструкций, типа муфт вращения с уплотнениями. Валы (на фиг. не показаны) для передачи вращательного момента могут быть подсоединены к дискам 6 и 7 вдоль оси вращения или являться непосредственно продолжением дисков 6 и 7, которые в этом случае как бы являются торцом валов.

Стопор для ограничения хода пар плунжеров 2 и 3 относительно пар плунжеров 4 и 5 может быть выполнен аналогично указанным известным техническим решениям. Однако, для уменьшения габаритов и упрощения конструкции предпочтительнее выполнять стопор (фиг. 2 и 3) из штифтов 14, установленных на поверхностях дисков 6 и 7, обращенных друг к другу. Под каждый из штифтов 14 одного диска 6, в другом диске 7 выполнены проточки 15 в виде дуги. При перемещении одной пары плунжеров, например, 2 и 3, совместно с диском 6, штифт 14 перемещается по дуге проточки 15 до ее упора, который фиксирует расстояние между плунжерами 2 3 и плунжерами 4 5.

В отличие от технического решения по [2] фиксатор направления вращения целесообразно выполнять аналогично техническому решению по [1] Однако, для уменьшения габаритов, фиксатор (фиг. 3) целесообразно выполнять в виде двух кольцевых крышек 16 (фиг. 1), закрепленных на внешнем кольце 12 с возможностью поджатия дисков 6 и 7 друг к другу. В дисках 6 и 7 выполнены пазы 17 (фиг. 1 и 3) с сужением в сторону направления вращения. Шарики 18 установлены в пазах 17 и подпружинены пружиной 19 со стороны, противоположной сужению паза 17. При попытке вращения дисков 6 и 7 в запрещенном направлении шарики 18 входят в сужение паза 17 и стопорят движение. При вращении дисков в разрешенном направлении пружина 19 под действием реакции опоры уменьшает свой линейный размер и шарики 18 свободно перекатываются.

Возможно использование и любых других механизмов фиксаторов направления, обеспечивающих одностороннее вращение.

Механизм преобразования прерывистого движения дисков 6 и 7 в непрерывное вращательное движение вала может быть выполнен аналогично техническому решению по [2] в виде одной шестерни и двух полушестерен. Однако, в заявленном техническом решении он может быть конструктивно размещен (не показано) внутри кольца тора, для чего вдоль оси дисков 6 и 7 в них выполняется отверстие, снабженное шестеренчатыми зубьями, нарезаемыми с одной стороны венца в виде полушестерни для каждого из дисков 6 и 7, а шестерня вала вводится в защепление изнутри дисков 6 и 7 то с одной полушестерней, то с другой, обеспечивая тем самым непрерывное движение вала. Введение механизма преобразования внутрь кольца тора, может такие дополнительно уменьшить габариты всего устройства в случае такой необходимости.

Работает двигатель внутреннего сгорания аналогично известному следующим образом.

Все такты (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) происходят одновременно и осуществляются парами плунжеров 2,3 и плунжеров 4,5 попеременно.

Одна пара плунжеров 2 и 3 свободно вращается относительно другой пары плунжеров 4 и 5 до определенного расстояния, которое определяется степенью сжатия горючей смеси и фиксируется стопором между плунжерами. Обе пары плунжеров 2,3 и 4,5 свободно вращаются только в одном направлении посредством фиксаторов направления.

Пусть в камере сгорания (фиг. 2) произошло воспламенение сжатой горючей смеси, тогда плунжер 2 под давлением расширяющихся газов движется к плунжеру 4, выталкивая отработанные газы.

Плунжер 3 движется в направлении плунжера 4, всасывая очередную порцию горючей смеси и одновременно сжимая предыдущую порцию горючей смеси. Как только плунжер 2 подойдет к плунжеру 5, а плунжер 3 к плунжеру 4, обе пары плунжеров 2 и 3 и 4 и 5 стопорятся между собой и смещаются по направлению вращения одновременно. В результате плунжер 2 занимает положение плунжера 5, плунжер 5 занимает положение плунжера 3, плунжер 3 занимает положение плунжера 4, а плунжер 4 занимает положение плунжера 2. В этот момент опять происходит воспламенение горючей смеси и цикл повторяется.

Наиболее успешно предлагаемый двигатель внутреннего сгорания может быть использован в автомобильной и авиационной технике.

Использование: машиностроение, в частности автомобильная и авиационная техника. Сущность изобретения: двигатель содержит кольцевую камеру, выполненную в форме тора. Четыре плунжера установлены в кольцевой камере и попарно связаны между собой посредством дисков. На плунжерах установлены уплотнения. Ход пары плунжеров ограничен относительно другой пары плунжеров стопором. Плунжеры установлены с возможностью вращения в одном направлении посредством фиксаторов. Кольцевая камера образована внешним кольцом и поверхностями дисков, вогнутость внешнего кольца сопряжена с вогнутостями дисков с образованием окружности. Плунжеры выполнены в форме сектора тора, а уплотнение выполнено в виде компрессионного кольца, установленного на круглой поверхности сектора тора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий кольцевую камеру, четыре плунжера, установленные в кольцевой камере с возможностью вращения в одном направлении вокруг оси кольцевой камеры посредством фиксаторов направления, при этом плунжеры, расположенные противоположно относительно оси вращения, попарно жестко соединены между собой посредством дисков, уплотнения, установленные на плунжерах, стопор, выполненный с возможностью ограничения хода пары жестко соединенных плунжеров относительно хода другой пары жестко соединенных плунжеров, канал впуска и канал выпуска, выполненные в стенке кольцевой камеры, и устройство поджига, установленное в стенке кольцевой камеры, отличающийся тем, что внутри кольцевая камера выполнена в форме тора, образованного внешним кольцом, внутренняя поверхность которого выполнена с вогнутостью, которая в продольном относительно оси вращения сечения выполнена в виде полуокружности, поверхности дисков, обращенные к внешнему кольцу, выполнены с вогнутостями, которые в продольном относительно оси вращения сечении выполнены в виде четвертой окружности, вогнутость внешнего кольца сопряжена с вогнутостями дисков с образованием окружности, плунжеры выполнены в форме сектора тора, а уплотнение выполнено в виде компрессионного кольца, установленного на круглой поверхности сектора тора. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что введены уплотнительные кольца, установленные в плоскостях разъема внешнего кольца и дисков и в плоскости разъема дисков. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что стопор выполнен в виде штифтов, установленных на поверхностях дисков, обращенных друг к другу, а под каждый из штифтов одного диска в другом диске выполнены проточки в виде дуги. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фиксатор направления выполнен в виде двух кольцевых крышек, закрепленных на внешнем кольце с возможностью поджатия дисков друг к другу, в дисках выполнены пазы с сужением в сторону направления вращения, введены шарики, которые подпружинены со стороны, противоположной сужению паза.