Шаровой двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2019 года по МПК F02B55/02 F01C3/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям с качающимися поршнями.

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания весьма совершенны, о чем свидетельствуют высокие значения относительных КПД, достигающих 85-90%. Существенным недостатком является процесс преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Наличие сложного кривошипно-шатунного механизма, включающего цилиндры, поршни, шатуны, коленчатый вал приводит к усложнению конструкции, увеличению массы и объема двигателей. Данную проблему пытались решить авторы технических решений по патентам: RU 2518793 С2, RU 2247248 С2, RU 2267614 С1.

Однако авторы только усложнили конструкцию двигателей с качающимися рабочими органами, в основном путем создания дополнительных систем обеспечения вращения коленчатого вала, встраивая в ротор-поршень дополнительные механизмы, из-за чего увеличивалась масса и габариты, что в итоге приводило к неработоспособности двигателей.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем патент [DE 3811760 С1, МПК F02B 53/00 (2006.01); F01C 9/00 (2006.01), опубл. 01.06.1989], основной недостаток которого неуравновешенность и неэффективность кинематической схемы преобразования движений качающегося ротора-поршня во вращательное коленвала.

Известен ДВС с качающимся ротором-поршнем, жестко закрепленным на входном качающемся валу и кинематически связанным с вращающимся выходным валом кривошипно-шатунного механизма [DE 3725277 А1, МПК F01C 9/00, F02B 53/00 (2006.01), опубл. 09.02.1989].

Недостатком известного ДВС является сложная конструкция ротора-поршня, содержащая систему валов с шатунно-кривошипным механизмом привода, увеличивающим габариты, вес и, как следствие, уменьшение удельной мощности и надежности при эксплуатации.

Известен двигатель внутреннего сгорания с качающимся ротором-поршнем, содержащий корпус со свечами зажигания и минимум как с двумя радиальными перегородками, боковые крышки, минимум как двухлопастной ротор-поршень, имеющий ступицу с выемками, образующими с радиальными перегородками корпуса каналы для перепуска рабочей смеси, а с лопастями ротора-поршня - камеры нагнетателей и рабочие камеры сгорания с окнами для впуска рабочей смеси и выпуска отработавших газов, а также выходной вращающийся вал [RU 2528241 С2, МПК F02B 55/02 (2006.01), опубл. 10.09.2014]. Двигатель содержит стационарно установленную в центральных опорах боковых крышек опорную ось качающегося на ней ротора-поршня, в полости которого размещено устройство, выполненное подвижно с ползуном, качающимся на кривошипной шейке выходного вращающегося коленчатого вала, установленного в коренных подшипниковых опорах, смещенных относительно центральных опор боковых крышек в пределах качающегося ротора-поршня в виде кривошипно-кулисного механизма с кулисным пазом, расположенным в области ступицы качающегося ротора-поршня, сопряженным, техническое решение направлено на упрощение конструкции двигателя, снижение веса и повышение надежности эксплуатации.

К недостатку известного ДВС с качающимся ротором-поршнем является сложная конструкция ротора-поршня, содержащая систему кулис, ползун ступицу, коленчатый вал с шатуном. В результате намного усложняется кинематическая схема, увеличиваются габариты, вес и снижается надежность эксплуатации.

Технической проблемой, на решение которой осуществляется при использовании ДВС, является увеличение мощности, уменьшение габаритов и повышение надежности.

Поставленная проблема решается за счет достижения технического результата, который заключается в упрощении конструкции шарового двигателя за счет применения другой кинематической схемы преобразования качающегося на валу круглого дискового поршня в двух полусферах шарового корпуса, во вращательное движение маховика и, как следствие, многократное увеличение мощности, уменьшение массы и габаритов шарового двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в четырехтактном шаровом двигателе содержится четыре сектора-камеры которые образуют круглый дисковый поршень в двух полусферах совместно с отсекающими пластинами шарового корпуса. В оставшихся двух шаровых секторах располагаются механизмы газораспределения и зажигания. Вал дискового поршня через дугу с шаровым пальцем на вершине соединен с шаровым пальцем вогнутого маховика путем сферической кривой. Все вышеперечисленное позволяет дважды преобразовывать энергию сгоревших газов: первое - колебательное движение диска поршня во вращательное его вала, второе - колебательно-поступательное движение сферической кривой во вращательное движение маховика.

Новым в двигателе является изготовление корпуса двигателя в виде шара, поршня в виде круглого диска, и кинематической схемы преобразования маятникового движения круглого дискового поршня вокруг своей оси во вращательное движение маховика. Предлагаемый четырехтактный шаровой двигатель работает точно так же, как и четырехтактный поршневой ДВС с кривошипно-шатунным механизмом. Круглый дисковый поршень перемещается в двух шаровых -полусферах от (определять по маховику) верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Колебания круглого дискового поршня в секторе от одного крайнего положения в другое называется тактом. В предполагаемом четырехтактном, четырехсекторном шаровом ДВС, все четыре такта совершаются за один оборот маховика, как в двухтактных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом. В четырехтактных поршневых ДВС с КШМ за два оборота коленчатого вала (маховика) происходят четыре такта, то есть мощность предполагаемого шарового двигателя будет как минимум в два раза больше. Можно выпускать как короткоходовые, так и длинноходовые шаровые ДВС.

Предлагаемый шаровой ДВС показан на чертежах, где:

на фиг. 1 показан общий вид двигателя сбоку,

на фиг. 2 - поперечный разрез ДВС по А-А,

на фиг. 3 - общий вид ДВС сверху,

на фиг. 4 - общий вид ДВС по Б-Б продольный разрез,

на фиг. 5, 6, 7, 8 показан принцип работы шарового ДВС, стрелками показаны направления движения горючей смеси и отработанных газов, а стрелкой над шаром - движение круглого дискового поршня.

Четырехтактный шаровой двигатель внутреннего сгорания содержит шаровой корпус 1 (шар), поделенный на сектора А, Б, В, Г, круглый дискообразный (дисковой) поршень 2 и выполненную заодно с поршнем 2 дугу 3 с шаровым пальцем на вершине. Сферическая кривая 4 соединяет вогнутый маховик 5 через шаровые пальцы с дугой 3. Отсекающие пластины 10 шара 1 уплотнены компрессионными кольцами 8 и делят объем шара 1 на четыре сектора (камеры), выполняющие роль цилиндров. Клапаны 6 служат для подвода в сектора (камеры) горючей смеси или воздуха при непосредственном впрыске топлива и отвода выхлопных газов. Вал круглого дискового поршня 2 вращается в подшипниках 9 (например, скольжения). Круглый дисковый поршень 2 уплотнен компрессионными и маслосъемными кольцами 7. Система зажигания включает свечи, соединенные с генератором (на фиг. не показано).

Четырехтактный шаровой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При сгорании горючей смеси в камере сгорания сектора А (фиг. 5) круглый дисковый поршень 2 за счет давления сгорающих газов начинает вращаться в подшипниках 9. При этом соединенная жестко с ним дуга 3 через два шаровых пальца и сферическую кривую 4 приводит во вращательное движение маховик 5. В секторе Б открываются выпускные клапана и начинается выпуск отработанных газов. В секторе В открываются впускные клапаны, а в секторе Г происходит такт сжатия горючей смеси. На фиг. 6 показано промежуточное положение круглого дискового поршня 2. В секторе А продолжается сгорание горючей смеси и движение круглого дискового поршня 2 вокруг оси, в секторе Б происходит выпуск сгоревшей смеси, а в секторе В - впуск и сжатие в секторе Г. На фиг. 7 отображено нахождение круглого дискового поршня 2 условно в нижней мертвой точке (НМТ) вместе со сферической кривой 4 и маховиком 5, постоянно вращающимся в одном направлении. В секторе Б происходит впуск горючей смеси и круглый дисковый поршень 2 начинает двигаться в другую сторону (против часовой стрелки) под действием сгорающих газов в секторе Г. В секторе А происходит выпуск отработавших газов. Дуга 3 вместе со сферической кривой 4 продолжает через шаровые пальцы вращать маховик 5 по часовой стрелке. В секторе В происходит сжатие горючей смеси (фиг. 8), промежуточное положение движения диска-поршня 2 в верхнюю мертвую точку (ВМТ). В секторе А продолжается выпуск горючей смеси, в секторе Б - впуск свежей смеси или воздуха в дизелях, в секторе Г - рабочий ход и в секторе В - сжатие. В результате маховик 5 совершил полный оборот вокруг своей оси и вернулся в положение, изображенное на фиг. 5, в верхнюю мертвую точку. Далее осуществляется следующая последовательность процессов в секторах шарового двигателя: сектор В - рабочий ход, сектор Г - выпуск, сектор Б - сжатие, сектор А - впуск и маховик 5 совершает половину оборота вокруг своей оси. Затем происходят следующие такты в процессе вращения маховика 5: сектор В - выпуск, сектор Г - впуск, сектор Б - рабочий ход и сектор А - сжатие. В результате маховик 5 совершил полный оборот вокруг своей оси. То есть за два оборота маховика 5 в шаровом четырехтактном двигателе происходит два полных цикла, а в существующих четырехтактных ДВС с кривошипно-шатунным механизмом только один полный цикл (рабочий ход, выпуск, впуск и сжатие). Следовательно, в заявленном техническом решении обеспечивается как минимум двукратное увеличение мощности шарового ДВС.

Предлагаемый силовой механизм дает возможность применять подшипники качения или скольжения, смазываемые под давлением, и применять эффективную систему охлаждения поршня с принудительной циркуляцией масла по замкнутому контуру. Заявляемый шаровой двигатель можно применять для компрессоров, насосов и других поршневых машин.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям с качающимися поршнями. Техническим результатом является уменьшение габаритов и повышение надежности. Сущность изобретения заключается в том, что шаровой двигатель внутреннего сгорания содержит шаровой корпус, разделенный круговым дисковым поршнем и отсекающими пластинами на четыре сферических сектора, а также систему зажигания и отвода выхлопных газов. Вал круглого дискового поршня выполнен заодно с дугой, на вершине которой находится шаровой палец, через которую вал дискового поршня соединен с шаровым пальцем вогнутого маховика с помощью сферической кривой. Конструктивное выполнение шарового четырехтактного ДВС обеспечивает упрощение конструкции за счет применения другой кинематической схемы преобразования качающегося на валу круглого дискового поршня в двух полусферах шарового корпуса во вращательное движение маховика и, как следствие, увеличение мощности, уменьшение массы и габаритов шарового двигателя. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Шаровой двигатель внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что содержит шаровой корпус, разделенный круговым дисковым поршнем и отсекающими пластинами на четыре сферических сектора, систему зажигания и отвода выхлопных газов, при этом вал круглого дискового поршня выполнен заодно с дугой, на вершине которой находится шаровой палец, посредством которого вал дискового поршня соединен с шаровым пальцем вогнутого маховика.

2. Шаровой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что отсекающие пластины уплотнены компрессионными кольцами.

3. Шаровой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что круглый дисковый поршень уплотнен компрессионными и маслосъемными кольцами.