ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B53/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в автотракторной технике.

Аналогом настоящего изобретения является двигатель внутреннего сгорания с тороидальной камерой, четырехтактный, бескарбюраторный, работающий на легком жидком топливе с воспламенением от алектрической искры с жидкостным охлаждением, служащий для преобразования энергии газов, образованных при сгорании топлива, непосредственно во вращательное движение рабочего вала /см. патент СССР 3857 А, 31.10.1927, Е 02 В 53/00/.

Недостатками этого двигателя являются сложность конструкции и технологии изготовления рабочей камеры и ротора, трудность обеспечения надлежащего уплотнения между роторным поршнем и корпусом, низкие показатели надежности и топливной экономичности, высокая токсичность выхлопных газов, выгорание стенок камеры сгорания.

Задача данного изобретения - создание принципиально нового двигателя внутреннего сгорания на жидком топливе, долговечный и надежный в работе, с меньшими габаритами и массой на единицу развиваемой мощности, относительно экономичный, с высоким КПД, развивающий хорошую мощность при относительно малых оборотах поршней по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом.

Задача изобретения достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания "Мубарак" - четырехтактном, бескарбюраторном, работающем на легком жидком топливе с воспламенением от электрической искры, с жидкостным охлаждением, служащем для преобразования энергии газов, образованных при сгорании топлива, непосредственно во вращательное движение рабочего вала, применены четыре тороидальные камеры, в которые помещены по одному полому поршню, жестко соединенные с рабочим валом, причем, в каждой тороидальной камере имеется два клапана, при работе двигателя по очереди перекрывающих тороидальные камеры. В газораспределительном механизме применены восемь кольцевых поршней, по четыре соединенных со своими валами и помещенных в кольцевые камеры; при их использовании увеличивается площадь всасывающих и выхлопных отверстий.

На фиг.1 показан продольный разрез по плоскостям А, на фиг.2 - поперечный разрез двигателя, на фиг.3 - продольный разрез двигателя по плоскостям В, на фиг.4 - продольный разрез двигателя по плоскостям С, на фиг.5 - прямоугольная проекция поршня, на фиг.6 - прямоугольная проекция клапана, на фиг.7 - прямоугольная проекция кольцевых поршней газораспределительного механизма, на фиг.8-10 - кинематическая схема взаимодействия частей при работе двигателя.

Корпус двигателя 1 /фиг.1/ имеет четыре тороидальные камеры 2, расположенные паралельно и находящиеся в водяной рубашке 3.

В каждую тороидальную камеру помещены по одному поршню 4 /фиг.2/, которые жестко соединены с главным рабочим валом 5, чтобы меньше было динамических нагрузок, поршни изготовлены полыми /фиг.5/. Для обеспечения необходимой компрессии в камере сгорания на поршнях имеются по четыре уплотнительных кольца 21. Поршень закреплен к главному валу через кольцеобразный рычаг, на противоположной от поршня стороне которой имеется груз 22, служащий для балансирования вращающейся системы поршень-рабочий вал. Толщина поршня равна или больше его диаметра. В тороидальных камерах поршни могут совершать круговое движение.

При работе двигателя каждая тороидальный камера сгорания в двух местах может быть перекрыта клапанами маятникового типа 7 и 8, приводимыми в действие распределительными валами 9 и 10, кулачки которых взаимодействуют с рычажками клапанов 11 и 12. Распределительные валы имеют по четыре сдвоенных кулачка и отличаются лишь шириной своих кулачков. Они вращаются в два раза медленнее главного рабочего вала.

Клапаны 8 перекрывают тороидальные камеры сгорания под воздействием кулачков распределительного вала 10 и открывают усилием пружины 17, а клапаны 7 наоборот, открывают камеру под воздействием кулачков распределительного вала 9 и перекрывают усилием пружины 17. Для создания в камере сгорания компрессии, на клапанах имеются по четыре уплотнительных кольца 18 /фиг.6/.

Клапаны насажены на общий вал 19 и помещены в цилиндрические пазы, где они могут поворачиваться вокруг своей оси на 90^o. Клапаны 7 и 8 отличаются между собой только расположением их рычажков 11 и 12. Между двумя клапанами в каждой тороидальной камере имеется пространство 23 /фиг.2 и 4/, который служит для перепуска сжатого воздуха из участка камеры сгорания, находящегося между поршнем и клапаном 8, в участок между поршнем и клапаном 7. На стенке корпуса, образующей это пространство, крепятся свечи зажигания 24 /фиг.4/ и форсунки для впрыскивания горючего 25.

Газораспределительный механизм состоит из восьми кольцевых поршней, помещенных в кольцевые камеры, расположенные паралельно по четыре над всасывающими 13 и выхлопными 14 отверстиями камер сгорания двигателя. Кольцевые поршни 15 и 16 жестко соединены со своим валом /по четыре на одном валу/, расположены по кругу со смещением на 90^o и имеют по три сектора. Сектора 1 поршня имеют ширину 120^o, а сектора II-III - по 30^o, через промежуток 60^o, кроме того сектора II и III выполнены со сквозным отверстием, равным диаметру всасывающего или выхлопного отверстий. Они совершают один оборот за четыре оборота главного рабочего вала. Для хорошей компрессии в камере сгорания, каждый сектор кольцевого поршня имеет по два уплотнительных кольца 20 /фиг.7/.

Привод всех валов осуществляется от главного рабочего вала ребристой ременной передачей /фиг.3/.

Здесь не показаны и не рассматриваются работа таких деталей и механизмов двигателя, как воздушный и масляный фильтры, водяная помпа, масляный насос, генератор, стартер, инжектор и др., т.к. они принципиально не отличаются от тех, которые есть в современных двигателях внутреннего сгорания.

Работа двигателя поясняется на чертежах и схемах /фиг.8-10/. Для лучшего понимания работы частей и механизмов необходимо иметь в виду нижеследующее:
- положение частей, в котором они находятся на фиг.8, будем называть исходным положением;
- на исходном положении всегда всасывающие и выхлопные отверстия тороидальных камер закрыты;
- при работе двигателя всасывающие отверстия (кроме такта рабочего хода) всегда открываются, когда поршень пройдет это отверстие, т.е. повернется от исходного положения на 90^o, закрываются, когда поршень повернется на исходное положение, а выхлопные отверстия всегда открываются /кроме такта сжатия/, когда поршень начинает поворот от исходного положения, и закрываются, когда поршень пройдет по кругу 270^o от исходного положения;
- привод распределительных валов и кольцевых поршней строго согласованы с главным валом и при работе двигателя не нарушаются;
- диаметр и ширина кулачков распределительных валов рассчитаны так, чтобы каждый раз, когда поршень совершит поворот от исходного положения на 165^o, кулачки вала 10, взаимодействуя с рычажками 12, закрывали клапан 8 и держали в таком положении до исходного положения. Когда поршень совершит поворот на 280^o, кулачки вала 9, взаимодействуя с рычажками 11, открывали клапан 7 и освобождали его, как только задняя кромка поршня пройдет за этот клапан;
- когда задняя кромка поршня пройдет за клапан 7, пружина 17 за доли секунды его закрывает, а когда передняя кромка поршня подойдет до клапана 8, пружина 17 также за доли секунды его открывает, т.к. к этому моменту распределительными валами они освобождаются;
- кулачки распределительных валов расположены симметрично, поэтому каждый раз после поворота поршня на 360^o занимают одинаковое положение. Расстояние между кулачками по кругу и их ширина могут быть разными, это зависит от величины малого и большого диаметров тора, от диаметра кулачков и их ширины по кругу, от длины рычажков, клапанов и др., но они расположены всегда симметрично;
- закрытие клапана 7, открытие клапана 8, подача топлива и электрической искры в камеру сгорания строго согласованы и следуют друг за другом за малые промежутки времени, в зависимости от частоты вращения главного вала;
- всасывающие и выхлопные отверстия имеют ширину, равную 0,4 радиуса кольцевых поршней.

Рассмотрим взаимодействие частей двигателя в первой тороидальной камере за период полного цикла из четырех тактов.

На фиг. 8 показано положение частей, когда закончился такт сжатия и начинается такт рабочего хода. После прохода поршня за клапан 7, последний закрылся и пока поршень двигался от клапана 7 до клапана 8, последний открылся, в камеру сгорания впрыскивается горючее, подается электрическая искра. Под давлением образовавшихся газов поршень получает энергию и ускоряет свой поворот по часовой стрелке. Начинается такт рабочего хода. Всасывающее отверстие закрыто сектором I кольцевого поршня 16, а выхлопное отверстие начинает открываться сектором I кольцевого поршня 15, через которое выталкивается из камеры имеющийся там воздух, при этом вентилируется камера и выхлопная труба. Когда поршень повернется на 75^o по часовой стрелке, кулачок I распределительного вала 10 начнет закрывать клапан 8. Полностью этот клапан закроется, когда поршень завершит поворот на 175^o по часовой стрелке. Вслед за закрытием клапана 8 начнет открываться клапан 7 и полностью откроется после поворота поршня еще на 100^o.

После прохода поршня за выхлопное отверстие, через последнее начнут выходить отработавшие газы. Таким образом энергия газов передается поршню, создавая крутящийся момент на рабочем валу на протяжении поворота поршня в 270^o, что намного больше, чем в современных двигателях. Кроме того вектор силы все время направлен по касательной к рабочему валу и передается энергия газов от поршня к рабочему валу через рычаг, что дает возможность достичь такого высокого КПД двигателя, какого еще не имеют современные двигатели внутреннего сгорания.

После поворота поршня на 360^o все части двигателя займут исходное положение. Разница от начального исходного положения лишь в том, что теперь выхлопное отверстие закрыло сектор II кольцевого поршня 15, а кулачки распределительных валов поменялись местами. С этого момента в этой тороидальной камере начинается такт выхлопа.

При всех остальных трех тактах происходят точно такие же взаимодействия частей, как и при такте рабочего хода, лишь с той разницей, что всасывающие и выхлопные отверстия открывают другие сектора кольцевых поршней, а кулачки распределительных валов поочередно будут менять свое положение, повернувшись за каждый такт на 180^o. Так, при такте выхлопа всасывающее отверстие открывает сектор I кольцевого поршня 16, а выхлопное отверстие - сектор II кольцевого поршня 15. Эти отверстия в конце такта будут закрываться соответственно секторами II и III. То же при такте всасывания, всасывающее отверстие открывает сектор II, а выхлопное - сектор III, а закрываются они в конце такта соответственно секторам III и I и т.д.

После завершения такта сжатия все части двигателя займут исходное положение, как показано на фиг.10, и опять начнется такт рабочего хода. Такие же процессы происходят и в остальных трех тороидальных камерах, только когда в первой камере происходит такт рабочего хода, во второй происходит такт выхлопа, в третьей - такт всасывания, в четвертой - такт сжатия. Для наглядности это можно представить в виде таблицы, приведенной в конце описания.

Взаимодействие частей во всех тороидальных камерах такое же, как в первой камере.

Технические данные двигателя могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от диаметра тороидальной камеры, значит и диаметра поршня, а также от величины внутреннего и наружного радиусов самого тора.

На данном двигателе камера сгорания в 3-4 раза длиннее, чем у двигателя с кровошипным шатунным механизмом, поэтому при одинаковом диаметре поршней, объем камеры сгорания будет во столько раз больше, а также и мощность, при одинаковых или меньших габаритах двигателя. Из-за того, что такт сжатия происходит на протяжении поворота поршня в 360^o, обеспечивается 10-15-кратное сжатие, а кольцевые поршни газораспределительного механизма позволяют значительно увеличить площадь всасывающих и выхлопных отверстий, что значительно уменьшает потери мощности при работе двигателя, можно намного повысить экономичность и на относительно малых оборотах рабочего вала добиться большой мощности и высокого крутящегося момента на выходе.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям. Техническим результатом является улучшение экономичности двигателя при высоких массогабаритных показателях. Сущность изобретения: двигатель содержит четыре тороидальные камеры, в которые помещены жестко связанные с рабочим валом поршни, причем в каждой тороидальной камере имеются два клапана, помещенных в цилиндрические пазы, поворачиваясь в которых, клапаны поочередно могут перекрывать камеру сгорания, а также установленные на своих валах кольцевые поршни газораспределительного механизма, имеющие по три сектора с уплотнительными кольцами. 10 ил., 1 табл.

Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный бескарбюраторный, работающий на легком топливе с воспламенением от электрической искры, с жидкостным охлаждением, служащий для преобразования энергии газов, образованных при сгорании топлива, непосредственно во вращательное движение рабочего вала, отличающийся тем, что применены четыре тороидальные камеры, в которые помещены жестко связанные с рабочим валом поршни, причем в каждой тороидальной камере имеются два клапана, помещенных в цилиндрические пазы, поворачиваясь в которых, клапаны поочередно могут перекрывать камеру сгорания, а также установленные на своих валах кольцевые поршни газораспределительного механизма, имеющие по три сектора с уплотнительными кольцами.