двигатель внутреннего сгорания

Классы МПК:F02B53/04 впуск заряда топливной смеси и выпуск выхлопных газов 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Шакиров Мубарак Шакирович
Приоритеты:
подача заявки:
2000-09-12
публикация патента:

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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 90o. 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 90o и имеют по три сектора. Сектора 1 поршня имеют ширину 120o, а сектора II-III - по 30o, через промежуток 60o, 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 90o, 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 270o 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 165o, кулачки вала 10, взаимодействуя с рычажками 12, закрывали клапан 8 и держали в таком положении до исходного положения. Когда поршень совершит поворот на 280o, 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 360o 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 75o по часовой стрелке, кулачок I распределительного вала 10 начнет закрывать клапан 8. Полностью этот клапан закроется, когда поршень завершит поворот на 175o по часовой стрелке. Вслед за закрытием клапана 8 начнет открываться клапан 7 и полностью откроется после поворота поршня еще на 100o.

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 270o, 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 360o 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 180o. 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 360o, 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.

Класс F02B53/04 впуск заряда топливной смеси и выпуск выхлопных газов 

усовершенствование двигателя ванкеля и аналогичных роторных двигателей -  патент 2485335 (20.06.2013)
планетарный роторный двигатель внутреннего сгорания (варианты) -  патент 2415284 (27.03.2011)
двухтактный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2411375 (10.02.2011)
роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания -  патент 2358125 (10.06.2009)
диско-лопастной двигатель с компрессором -  патент 2352787 (20.04.2009)
двигатель внутреннего сгорания -  патент 2338903 (20.11.2008)
роторный двигатель -  патент 2289701 (20.12.2006)
четырехтактный роторный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2283436 (10.09.2006)
роторный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2271456 (10.03.2006)
роторный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2254483 (20.06.2005)
Наверх