ПРОПЕЛЛЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02B55/02 F02B55/14 

Изобретение относится к моторостроению и может быть использовано для изготовления двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей, тракторов, самолетов и т.п.

Известны различные типы ДВС: поршневые с шатуном [1], бесшатунные поршневые [2], роторные [3] и роторно-поршневые [4], подобные ДВС по патенту [5] и другие [6].

Недостатками некоторых типов ДВС является большие размеры и вес, у других - сложность конструкции, трудности в массовом производстве, малый рабочий ресурс и т.п.

Ближайшим к изобретению является ДВС с центральным (относительно системы поршень - цилиндр) расположением коренного вала и с преобразованием поступательного движения поршня во вращательное движение коренного вала через систему роликов и криволинейной направляющей [7].

Недостатком ДВС такого типа является большие размеры, сложность конструкции, недолговечность и хрупкость сопряжения поршня через ролики и криволинейную направляющую с коренным валом.

Целью изобретения является уменьшение размеров и упрощение конструкции ДВС.

Это достигается тем, что двусторонний поршень, соединенный через шлицы с коренным валом, имеет сплошную пропеллерообразную форму, абсолютно сопрягающуюся с такими же сплошными пропеллерообразными внутренними поверхностями головок цилиндра.

На фиг.1 представлена схема пропеллерного ДВС, на фиг.2 - пропеллерообразный двусторонний поршень, вид сбоку, на фиг.3 - то же, промежуточный вид, на фиг.4 - то же, вид спереди, на фиг.5 - разворот в ленту одного из концентрических сечений пропеллерного ДВС в момент начала первого такта, на фиг.6 - то же, в середине первого такта, на фиг.7 - то же, конец первого и начало второго такта, на фиг.8 - то же, середина второго такта, на фиг.9 - то же, конец второго и начало третьего такта, на фиг.10 - то же, середина третьего такта, на фиг.11 - то же, конец третьего и начало четвертого такта, на фиг.12 - разворот в ленту одного из концентрических сечений пропеллерного ДВС в момент середины четвертого такта, на фиг.13 - вид сбоку на фрагмент поршня, снабженного канавками под кольца, на фиг.14 - общий вид компрессионного зигзагообразного кольца, на фиг.15 - фрагмент поршня с канавками под кольцо и под компрессионный брусок, на фиг.16 - общий вид компрессионного бруска, на фиг.17 - фрагмент зигзагообразного кольца с проточкой под замок бруска, на фиг.18 - поршень в сборе с внутриполой осью и коренным валом, на фиг.19 -впускной клапан в сборе, на фиг.20 - вид спереди на левую головку цилиндра со вставленными впускными и выпускными клапанами и двумя рычагами. на фиг.21 - вид сзади на газораспределительный диск, на фиг.22 - сопряжение газораспределительного диска с коренным валом через планетарный механизм.

На чертежах обозначено: стрелками - впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов, точками - сжимаемая рабочая смесь, звездочкой - воспламененная рабочая смесь, двойная линия на фиг.4 - это след на поршне от концентрического сечения двигателя, утолщенная стрелка показывает направление вращения поршня.

На фиг.1 в цилиндре 1 укреплены левая 2 и правая 3 головки, по оси которых с возможностью вращения укреплен коренной вал 4, с которым через шлицы 5 подвижно соединена внутриполая ось 6, на которой жестко укреплен двусторонний пропеллерообразный сплошной поршень 7. Головки установлены так, что поршень имеет возможность вращательно-возвратно-поступательного движения с минимальными зазорами между сопрягаемыми сплошными пропеллерообразными поверхностями поршня и головок цилиндра. Высота h (фиг.2) лопастей 8 (фиг.3) постоянна относительно плоскости, проходящей через все ребра 9 (фиг.4) лопастей 8, количество которых больше 1 и теоретически неограниченно. Каждая вторая грань взаимопротивостоящих лопастей головок имеет чашевидное углубление 10 (фиг.5), соединенное желобом 11 со смежной (по ходу вращения поршня) гранью лопасти 8 головки.

Двигатель работает следующим образом. Рассмотрим любое концентрическое сечение двигателя (например, сечение по следу на поршне, обозначеному двойной линией на фиг.4), развернутое на плоскость из кольца в ленту.

1. На фиг.5 к началу первого такта в половине из всех камер сгорания (образованных чашевидными углублениями 10) левой стороны (головка 2) происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень между лопастями левой 2 и правой 3 головок сначала в промежуточное (фиг.6), а затем в конечное положение первого такта (фиг.7). При этом через открывшиеся впускные клапана 12 второй половины рабочих камер левой стороны одновременно происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер 13 правой стороны происходит сжатие рабочей смеси и ее нагнетание по желобам 11 из рабочих камер 13 в камеры сгорания 10, а в оставшихся камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана 14.

На фиг.7 к началу второго такта в половине камер сгорания правой стороны происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень сначала в промежуточное (фиг.8), а затем в конечное положение второго такта (фиг.9). При этом одновременно через открывшиеся впускные клапана второй половины рабочих камер правой стороны происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер левой стороны происходит сжатие рабочей смеси и ее нагнетание по желобам из рабочих камер в камеры сгорания, а в оставшихся рабочих камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана.

На фиг.9 к началу третьего такта в половине камер сгорания левой стороны происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень сначала в промежуточное (фиг.10), а затем в конечное положение третьего такта (фиг.11). При этом одновременно через открывшиеся впускные клапана второй половины рабочих камер левой стороны происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер правой стороны происходит сжатие рабочей смеси и ее нагнетание по желобам из рабочих камер в камеры сгорания, а в оставшихся камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана.

На фиг.11 к началу четвертого такта в половине камер сгорания правой стороны происходит воспламенение сжатой рабочей смеси, что заставляет переместиться поршень сначала в промежуточное (фиг.12), а затем в конечное положение четвертого такта, подобное начальному положению первого такта (фиг.5). При этом одновременно через открывшиеся впускные клапана второй половины рабочих камер правой стороны происходит всасывание топливной смеси, а также в одной половине рабочих камер левой стороны происходит сжатие топливной смеси и ее нагнетание по желобам из рабочих камер в камеры сгорания, а в оставшихся камерах происходит выпуск отработавших газов через открывшиеся выпускные клапана.

Таким образом, в каждой камере происходят все четыре такта рабочего цикла, а поршень 7 на фиг.1 совершает вращательно-возвратно-поступательное движение между головками 2 и 3, при этом через шлицевое соединение придает коренному валу 4 вращательное движение, причем за один такт вал проворачивается на часть полного оборота, кратную половине количества лопастей.

В изобретении используется меньшее количество деталей и узлов, чем в любом из современных четырехтактных ДВС, и компоновка деталей такова, что все свободное пространство используется только функционально, в отличие от любых других ДВС, где обязательно есть пространства, занятые просто воздухом. Поэтому пропеллерный ДВС имеет более простую конструкцию и меньшие габариты и вес.

2. При работе двигателя по пункту 1 из-за неплотности между поршнем и стенкой цилиндра обязательно происходит сообщение между рабочими камерами левой и правой стороны, а это нарушает работу двигателя.

С целью обеспечения компрессии и изоляции рабочих камер левой и правой стороны поршня 7 друг от друга, поршень снабжен канавками 15 (фиг.13), в которые установлен набор подпружиненных компрессионных и маслосъемных колец (фиг.14), зигзагообразная форма которых в сжатом состоянии абсолютно повторяет форму боковой поверхности поршня, а диаметр сжатых с функциональным зазором и замком 16 колец равен внутреннему диаметру цилиндра 1.

При движении поршня кольца за счет пружинных свойств прилегают к внутренней стенке цилиндра, чем обеспечивают компрессию и изоляцию рабочих камер левой и правой стороны поршня друг от друга.

3. При работе двигателя по пункту 2 из-за неплотности между гранями лопастей поршня и головки, а также из-за неплотностей в центрально-осевой части двигателя обязательно происходит сообщение между смежными (через ребро лопасти) камерами, а это нарушает работу двигателя.

С целью обеспечения компрессии и изоляции соседних камер друг от друга поршень снабжен канавками (фиг.15) по ребрам лопастей, продолжеными по кратчайшему пути до канавки 15 компрессионных колец. В реберные канавки вставлены подпружиненные Г-образные бруски (фиг.16), имеющие замки 17 для подвижного соединения с компрессионным кольцом. Соответственно, компрессионные кольца имеют ответный паз 18 (фиг.17) в области сопряжения с компрессионным бруском, образуя при этом систему обеспечения изоляции и компрессии между смежными камерами.

С целью обеспечения компрессии и изоляции рабочих камер друг от друга в центрально-осевой части двигателя внутриполая ось 6, сопряженная шлицами с коренным валом 4, снабжена набором зигзагообразных компрессионных и маслосъемных колец 19 (фиг.18), установленных по наружному диаметру, на расстоянии от ребер поршня большим, чем h, в зонах подвижного сопряжения внутриполой оси с центральными отверстиями головок цилиндра. Кроме того, по краю внутренней поверхности центрального отверстия в головке, в месте сопряжения головка - поршень - внутриполая ось, установлено дополнительное зигзагообразное обратноподпружиненное компрессионное кольцо (подобное кольцу на фиг.14), с которым контактирует Г-образный брусок.

При движении поршня подпружиненные бруски прилегают к поверхностям головок и к стенкам цилиндра, тем самым обеспечивают компрессию и изоляцию друг от друга смежных рабочих камер, а при перемещении внутриполой оси (с поршнем) внутри центрального отверстия головки (в малом цилиндре) зигзагообразные кольца прилегают одни соответственно к внутренней поверхности малого цилиндра, другие - к наружной поверхности внутриполой оси и к кончикам брусков, и тем самым обеспечивают компрессию и изоляцию в центрально-осевой части двигателя.

4. Для изолирования смежных (через ребро лопасти) камер в ДВС по пункту 2, необходима система компрессионных колец и брусков (фиг.15 - 17), что усложняет двигатель и представляет сложную для изготовления конструкцию, а тем более затруднено изготовление зигзагообразного, обратноподпружиненного компрессионного кольца в теле головок цилиндра.

С целью упрощения конструкции за счет устранения самой причины, по которой двигатель усложняется, а именно за счет устранения необходимости изолирования друг от друга смежных через ребро лопасти камер, в двигателе по пункту 2 установлена такая система газораспределения, что во всех рабочих камерах левой стороны происходит один и тот же такт, например сжатие. Соответственно в камерах правой стороны также происходит один и тот же такт, например всасывание, и двигатель является первым блоком блочного пропеллерного двигателя, в котором все блоки согласованно сопряжены через вращение единого рабочего вала, и, соответственно, в одном из этих блоков происходит такт воспламенения рабочей смеси во всех камерах правой стороны (что приводит во вращение в том числе и коренной вал первого блока), а в рабочих камерах левой стороны - такт выхлопа.

В таком двигателе нет необходимости изолировать смежные (через ребро лопасти) камеры одной стороны друг от друга, что приводит к упрощению конструкции за счет отсутствия канавок, компрессионных брусков и обратноподпружиненного, зигзагообразного кольца по пункту 3.

5. Для нормальной работы двигателя необходим механизм газораспределения, обеспечивающий подвод топливной смеси в соответствующую рабочую камеру и отвод выхлопных газов из соответствующей рабочей камеры.

С этой целью в каждой головке установлены комплекты впускных и выпускных, подпружиненных через тарелки и сухарики клапанов, на которые через регулируемые рычаги 20 оказывают давление кулачки 21 [8] (фиг.19). Верхние оконечности впускных 22 и выпускных 23 клапанов образуют два концентрических кольца, отдельно для каждого вида клапанов (фиг.20), перпендикулярно которым расположены оси вращения 24 рычагов 20 рядом с каждым клапаном. Кулачки впускных 25 и выпускных 26 клапанов образуют на диске два отдельных кольца (фиг.21), идентичных кольцам на фиг.20, а диск через планетарный механизм 27 сопряжен с коренным валом (фиг.22). Коэффициент передачи планетарного механизма равен 0,5.

Таким образом, при правильном расположении кулачков на диске каждой головки в двигателе обеспечивается нормальное газораспределение.

Источники информации

1. Марчук О.Н. Устройство двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища Школа, 1975.

2. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972.

3. Ястржембский В. Вот это кажется переворот. Знание-сила, 1964, N 7, с.26-27.

4. Маджуга Г.С. Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. М.: Знание, 1964.

5. Патент США N 4480528, кл. F 01 B 3/04, 1984.

6. Бирюков Б.Н. От водяного насоса до квантового ускорителя. М.: Машиностроение, 1990.

7. Патент РФ N 2145666, кл. F 02 B 75/26, 1998.

8. Богатырев А.В. и др. Автомобили. М.: Колос, 2001, стр.66.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям. Техническим результатом является повышение удельных габаритных и весовых показателей. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из цилиндра, в концах которого установлены две головки с системой газораспределения и с отверстиями по центру, в которых с возможностью вращения установлен коренной вал. Через шлицы в середине вала с ним подвижно соединена внутриполая ось, несущая жестко укрепленный сплошной пропеллерообразный двусторонний поршень, поверхности сплошных лопастей которого абсолютно сопрягаются с пропеллерообразными сплошными поверхностями двух противолежащих головок. Расстояние между головками обеспечивает вращательное и возвратно-поступательное движение поршня между ними. Причем каждая вторая грань противоположных лопастей головок имеет чашевидное углубление, образующее камеру сгорания, соединенную желобом с гранью следующей (по ходу вращения) лопасти. 4 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с центральным расположением коренного вала, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, с коренным валом в его середине через шлицы подвижно соединена внутриполая ось, несущая жестко укрепленный сплошной пропеллерообразный двусторонний поршень, поверхности сплошных лопастей которого абсолютно сопрягаются с пропеллерообразными сплошными поверхностями двух противолежащих головок, расстояние между которыми обеспечивает вращательно-возвратно-поступательное движение поршня между головками с минимальными зазорами между ними, причем каждая вторая грань взаимопротивостоящих лопастей головок имеет чашевидное углубление, образующее камеру сгорания, соединенное желобом с гранью следующей (по ходу вращения) лопасти.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью устранения сообщения между противолежащими рабочими камерами, снабжен зигзагообразными компрессионными и маслосъемными кольцами, установленными на поршень, форма которых повторяет форму боковой поверхности поршня.3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что, с целью устранения сообщения между смежными рабочими камерами, снабжен Г-образными подпружиненными брусками, установленными по ребрам лопастей поршня и подвижно сопряженными с его компрессионными зигзагообразными кольцами, также снабжен компрессионными и маслосъемными кольцами, установленными на внешней поверхности внутриполой оси на расстоянии от ребер поршня больше, чем высота выпуклости лопастей, а центральное отверстие головок снабжено обратно подпружиненными зигзагообразными компрессионными кольцами, по краю отверстия, в зоне сопряжения головка - поршень - внутриполая ось.4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, имеет систему газораспределения такую, что во всех смежных рабочих камерах происходит одновременно один и тот же такт рабочего цикла, а в противолежащих, смежных между собой рабочих камерах, происходит одновременно другой такт рабочего цикла.5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что, кроме прочего, имеет на каждой грани головок подпружиненные через тарелки и сухарики соответственно впускные и выпускные клапана, приводимые в движение кулачками через регулируемые рычаги, отличающийся тем, что кулачки расположены на диске, по двум концентрическим окружностям образуя кольцо соответственно впускных и кольцо выпускных клапанов, который через планетарный механизм установлен на левом и правом конце коренного вала, причем передаточное число планетарного механизма равно 0,5, а количество кулачков по каждому кольцу равно количеству лопастей поршня.