Орбитальный двигатель внутреннего сгорания
Задачей полезной модели является повышение экономии топлива, снижение механических потерь на трение, снижение стоимости ДВС, уменьшение удельной металлоемкости и габаритов, снижение тепловых потерь. Технический результат достигается получением крутящего момента, превосходящего существующие, за счет приложения максимального давления энергии взрыва к максимально развернутому плечу лопасти, уменьшением количества деталей и отсутствием деталей, приводящих к тепловым потерям (нет кривошипно-шатунного механизма, газораспределительных клапанов, вкладышей скольжения, поршневой группы). Орбитальный двигатель внутреннего сгорания содержит расположенные попарно 4 ротора, при этом каждый ротор имеет плечи для удержания лопасти и радиальную направляющую для перемещения расположенной внутри ротора лопасти, причем, плечи лопасти выполнены в основании, а наклонная лопасти является кулачком, камера сгорания расположена между первой и второй парой роторов, при этом каждая пара роторов выполнена с возможностью вращения в противофазе и создания при касании роторов замкнутой полости для осуществления работы 4-х тактного ДВС, а механизм ДВС связан шестернями постоянного зацепления. Поставленная задача достигается и тем, что лопасти выполнены подпружиненными, внутренняя поверхность статора выполнена зеркальной, наружная поверхность ротора выполнена зеркальной, камера сгорания выполнена с горизонтальными окнами, свеча зажигания жестко соединена с камерой сгорания и выполнена с возможностью вращения вместе с камерой сгорания между роторами, два горизонтальных окна камеры сгорания выполнены шире остальных. Горючая смесь через карбюратор подается через впускное окно 5 в ДВС в межлопастное пространство и увлекается лопастями 2 до тех пор, пока лопасти не накатятся друг на друга и не уйдут в паз (позиция 15, фиг.2). За лопастью происходит процесс разряжения (всасывания). Перед лопастью в это же время происходит сжатие и перетекание горючей смеси в камеру сгорания 4. Камера сгорания разворачивается, запирает сжатую горючую смесь, в это время лопасти уходят в позицию 15 в разгруженном состоянии (силы на них не действуют). Проходя позицию 15, лопасти вновь захватывают очередную порцию горючей смеси и производят сжатие впереди себя, а за собой увлекают горючую смесь, создавая разряжение. Расширение и выхлопы происходят до тех пор, пока лопасти второй пары роторов не начнут уходить в паз (позиция 16, фиг.2). При этом лопасти находятся в неподвижном состоянии, а по этой причине не изнашиваются.
Полезная модель относится к конструкции двигателей внутреннего сгорания, а именно к орбитальным ДВС.
Известен орбитальный двигатель Сарича, содержащий расположенный на валу ротор с 7 лопатками с плечами, межлопастное пространство - поршень, статор с газораспределительным механизмом, состоящий из 7 камер сгорания, впускного и выпускного устройств, выполненных в виде клапанов, 7 свечей зажигания, 7 направляющих лопаток в продольном направлении, 7 направляющих лопаток в поперечном направлении, стабилизирующие эксцентрики, систему водяного охлаждения и искрового зажигания, уплотнение торцевое уплотнение ротора (прототип прилагается).
Недостатками прототипа являются большое количество деталей и сложность их изготовления. Газораспределительный механизм и кривошип под максимальное давление газов при расширении подставляет минимальное развернутое плечо, что приводит к жесткому состоянию всех подвижных деталей, включая кривошип. Кроме того, подвижные детали в нагруженном состоянии находятся в движении, что при наличии высокого давления (порядка 18 атм.) и трения скольжения приведет к повышенным энергозатратам и изнашиванию контактируемых деталей.
Задачей полезной модели является повышение экономии топлива, снижение механических потерь на трение, снижение стоимости ДВС, уменьшение удельной металлоемкости и габаритов, снижение тепловых потерь.
Технический результат достигается получением крутящего момента, превосходящего существующие, за счет приложения максимального давления энергии взрыва к максимально развернутому плечу лопасти, уменьшением количества деталей и отсутствием деталей, приводящих к тепловым потерям (нет кривошипно-шатунного механизма, газораспределительных клапанов, вкладышей скольжения, поршневой группы).
Поставленная задача достигается тем, что орбитальный двигатель внутреннего сгорания содержит расположенный на валу в подшипниках ротор с лопастями, выполненными с плечами, и межлопастное пространство, статор, камеру сгорания, впускное и выпускное устройство, свечу зажигания, направляющие лопастей, систему водяного охлаждения и искрового зажигания, торцевое уплотнение ротора, при этом двигатель содержит расположенные попарно 4 ротора, при этом каждый ротор имеет плечи для удержания лопасти и радиальную направляющую для перемещения расположенной
внутри ротора лопасти, причем, плечи лопасти выполнены в основании, а наклонная лопасти является кулачком, камера сгорания расположена между первой и второй парой роторов, при этом каждая пара роторов выполнена с возможностью вращения в противофазе и создания при касании роторов замкнутой полости для осуществления работы 4-хтактного ДВС, а механизм ДВС связан шестернями постоянного зацепления.
Поставленная задача достигается и тем, что лопасти выполнены подпружиненными, внутренняя поверхность статора выполнена зеркальной, наружная поверхность ротора выполнена зеркальной, камера сгорания выполнена с горизонтальными окнами, свеча зажигания жестко соединена с камерой сгорания и выполнена с возможностью вращения вместе с камерой сгорания между роторами, два горизонтальных окна камеры сгорания выполнены шире остальных.
Заявляемая конструкция орбитального двигателя представлена на чертежах: фиг.1 -ДВС, общий вид; фиг.2 - ДВС, разрез по линии А на фиг.1 (всасывание и сжатие); фиг.3 - камера сгорания; фиг.4 - ДВС, разрез по линии А на фиг.1 (рабочий ход и выхлоп); фиг.5 - последовательность циклов работы камеры сгорания; фиг.6 - ДВС, разрез по линии В на фиг.1, шестерня; фиг.7 - лопасти в момент накатывания друг на друга для постановки в паз.
Орбитальный ДВС содержит 4 ротора 1, четыре лопасти 2, статор 3, камеру сгорания 4, впускное окно 5, выпускное окно 6, разгрузочные окна 7 (два окна выполнены шире других и позицией на чертежах не обозначены), шестерни постоянного зацепления: шестерни 8 привода двух пар роторов: для обеспечения работы роторов в противофазе, шестерню 9 привода камеры сгорания, обеспечивающую синхронную работу шестерней 10 турбокомпрессора (первой пары роторов) и ДВС (второй пары роторов), подшипник 11 качения, маховик 12, свечу 13 зажигания, окна 14 камеры сгорания, позицией 15 показано положение, когда лопасти первой пары роторов утоплены в паз полностью, позицией 16 - положение, когда лопасти второй пары роторов утоплены в паз полностью, 17 - плечо лопасти, 18 - деталь, запирающая лопасти по торцам, 19 - крепежные болты, 20 - водяная рубашка (система охлаждения), 21 - лабиринтное уплотнение, 22 - графитированное кольцо, 23 - плечо ротора, 24 - резьба, 25 - уголек в оправке, 26 - продувочное окно камеры сгорания.
Работа орбитального ДВС осуществляется следующим образом.
Горючая смесь через карбюратор подается (показано стрелкой на фиг.2) через впускное окно 5 в ДВС в межлопастное пространство и увлекается лопастями 2 до тех пор, пока лопасти не накатятся друг на друга и не уйдут в паз (позиция 15, фиг.2). За лопастью
происходит процесс разряжения (всасывания). Перед лопастью в это же время происходит сжатие и перетекание горючей смеси в камеру сгорания 4. Камера сгорания разворачивается, запирает сжатую горючую смесь, в это время лопасти уходят в позицию 15 в разгруженном состоянии (силы на них не действуют). Проходя позицию 15, лопасти вновь захватывают очередную порцию горючей смеси и производят сжатие впереди себя, а за собой увлекают горючую смесь, создавая разряжение.
Горючая смесь запирается при развороте камеры сгорания и воспламеняется перед совпадением с основным (более широким) окном 7 с межлопастной полостью второй пары роторов. Происходит расширение горючей смеси и ее действие на лопасти под углом 90. Между лопастями происходит расширение, а перед каждой лопастью - выхлоп.
На фиг.5 показана последовательность циклов работы камеры сгорания, за один оборот роторов происходит 4 такта.
a) начало перетекания горючей смеси при такте сжатия из межлопастной полости в камеру сгорания (стрелка показывает направление перетекания);
b) перетекание;
c) подключается основное окно (шире других);
d) перетекание только через основное окно;
e) запертое положение горючей смеси;
f) момент подачи искры, воспламенение горючей смеси (вся энергия взрыва, окисление) направлена между лопастей второй пары роторов, обеспечивающих рабочий ход);
g) сброс остаточного давления из камеры сгорания через окна 7;
h) сброс избыточного давления из разных окон;
i) давление сброшено, камера сгорания поворачивается в сторону первой пары роторов (запирается).
Расширение и выхлопы происходят до тех пор, пока лопасти второй пары роторов не начнут уходить в паз (позиция 16, фиг.2). При этом лопасти находятся в неподвижном состоянии, а по этой причине не изнашиваются. Свои инерционные нагрузки лопасти не передают на статор, а поэтому нет потерь на трение и тепловых потерь, происходит передача крутящего момента с ротора 3 на вал. Лопасти перемещаются в паз только в разгруженном состоянии, что значительно сокращает износ движущихся деталей.
Для того, чтобы лопасти не касались статора и, следовательно, не изнашивались, у каждой лопасти выполнены плечи 17, расположенные в основании. Каждая лопасть является кулачком с наклонной, что позволяет набегать лопасти на лопасть без удара для
короткого возвратно-поступательного движения, но по орбите лопасти создают объемные полости. Лопасти выполнены подпружиненными, что позволяет срабатывать при избыточном давлении на них и тем самым предохраняет ДВС от поломок. С этой же целью выполнены плечи 23 и у ротора (фиг.4). Плечо ротора позволяет удерживать инерционные нагрузки лопасти и не перекладывать их на статор.
Чтобы вращающиеся лопасти не имели торцевого износа, лопасти запираются деталью 18, выполненной заодно с валом, и крепятся к ротору крепежными болтами 19 или сварочным соединение с последующей чистовой обработкой.
Таким образом, заявляемый орбитальный ДВС представляет собой 4-х роторный 4-х лопастной 4-х тактовый агрегат с водяным охлаждением и искровым зажиганием. Четыре ротора способны выполнять функции 4-х тактов ДВС. При этом происходит разделение функций. В первой паре роторов происходит всасывание и сжатие, а рабочий ход и выхлоп происходят во второй паре роторов. По сути первая пара роторов является турбокомпрессором, вторая пара роторов - ДВС. Это лопастной двигатель, который преобразует вращательное движение лопастей во вращательное движение роторов с валом. В заявляемом ДВС роторы функционируют парами, а между двух пар вращается камера сгорания. Роторы в паре между собой расположены рядом и поэтому их движение происходит в противофазе, так же как и движение лопастей (тоже в противофазе).
Первая пара роторов (турбокомпрессор) захватывает горючую смесь, топливо в капельном состоянии. За счет инерционных сил горючая смесь откидывается к стенке статора, растирается лопастью, а выхлопные потоки, следующие за лопастью, превращают пленку топлива в газообразное состояние. Капельная фракция топлива, откинутая на стенку статора, служит дополнительным уплотнением между лопастью и статором. Образующаяся зона разрежения способствует очень быстрому испарению в газообразном состоянии.
Лопасти по наклонной набегают друг на друга и тем самым загоняют друг друга во внутрь ротора, при расхождении под воздействием инерционных сил и пружины выходят из направляющих ротора и занимают свое рабочее место. При этом точной подгонки не требуется. Если лопасть касается статора, то при обкатке в калибре лопасть притрется до состояния, когда будет двигаться рядом со статором, но без касания. Два ротора, расположенных рядом, на месте касания образуют две полости, которые могут быть герметичны, что способствует в первой паре роторов как всасыванию, так и сжатию и вытеснению горючей смеси или воздуха через камеру сгорания во вторую пару роторов, что способствует рабочему ходу и выхлопу. Необходимость в клапанах не существует. Достаточно окон, но удлиненных, так как перегородки окон упрочняют деталь.
Шестерня постоянного зацепления 9 связывает работу каждой пары роторов. Каждый ротор посажен в подшипники передней и задней крышек посредством вала. Крышки крепятся болтовым соединением 19 к статору (корпусу ДВС). В зоне контакта с ротором расположено лабиринтное уплотнение 21 и канавка под графитовое кольцо 22.
Маховик 12 может быть размещен на валу второй пары роторов, выполняющих функцию ДВС, что очень удобно, например, для судов для привода двух и более винтов.
Свеча зажигания вращается вместе с камерой сгорания, а на резьбе 24 для подвода электрического разряда расположен уголек 25 в оправке.
Крутящий момент снимается с маховика.
В заявляемом ДВС каждая лопасть характеризуется двойным действием. Если перед первой парой лопастей происходит процесс сжатия, то за ними происходит всасывание. Камера сгорания сориентирована на загрузку через загрузочные окна. Когда сжатая горючая смесь перетечет в нее, разворачивается и блокирует внутри себя горючую смесь. На подходе к разгрузочным окнам второй пары роторов в камере сгорания происходит воспламенение и вся энергия расширения направлена между лопастями и раздвигает их по орбите каждого ротора в противофазе, приводя в действие весь механизм и передавая весь Мкрут на маховик. По другой стороне лопастей происходит выхлоп. На всасывании и на выхлопе препятствий не существует, т.к. окна всегда открыты. Потоки горючей смеси носят импульсный характер, что позволяет на всасывании догружать полость горючей смесью.
В каждой паре роторов после завершения такта лопасти уходят в нейтральную зону в разгруженном состоянии. Конструктивно роторы в паре соприкасаются, и лопасти вынуждены по наклонной накатываться друг на друга, их усилия противоположны и они уходят в паз ротора, сжимая пружины, которые держали их в выдвинутом положении. На выходе из нейтрального положения лопасти первой пары роторов подхватывают очередной заряд горючей смеси и сжимают ее, а во второй - открывают межлопастное пространство, в которое стремятся газы расширения. Чтобы снизить инерционные перегрузки, лопасти выполнены пустотелыми, а под ними расположены пружины Перемещение лопастей радиальное. Чтобы лопасти не касались статора и выдерживали необходимый зазор (в микронах), лопасть на выходе из направляющих ротора ложится своими плечами на плечи ротора, что не позволяет инерционным нагрузкам лопасти передаваться на статор, когда энергия взрыва воздействует на головку лопасти. Лопасть передает это усилие ротору, а он через вал, расположенный в подшипнике качения, - на маховик.
4 такта протекают по орбите за один оборот, каждый из них по этой причине продолжительный, ориентировочно 275° поворота маховика отведено каждому такту, т.к. на переход лопастей в паз и обратно затрачиваются остальные из 360°. По этой причине рабочий ход длительный и превышает существующие примерно в 2,5 раза. При запуске последовательно запускаются и заполняются все полости ДВС, и он начинает работать так, как сказано выше. При этом лопасти выдвигаются на небольшую величину и они неподвижны, что влечет незначительный износ. Под максимальное давление газов подставлено максимально развернутое плечо, что делает работу механизма мягкой, а не жесткой, но с высоким крутящим моментом.
Вал ротора 1 с торца имеет лабиринтное уплотнение 21 с графитированным кольцом 22, что снижает фрикционные нагрузки, убирает продольные перемещения ротора, имеет постоянную дорожку износа, позволяет лопастям быть герметичными в качестве полости, упрощает регулировку и настройку упорно-радиальных подшипников.
Два ротора, соприкасаясь, служат уплотнением. В зоне контакта два вращающихся в противофазе ротора увлекают потоки горючей смеси, закручивают их и уплотняют. Каждая пара роторов выполнена с возможностью вращения в противофазе и создания при касании роторов замкнутой полости для осуществления 4-х тактов работы ДВС. Роторы отшлифованы и отполированы до зеркального блеска и не передают инерционных нагрузок между собой. Параллельные вихревые потоки присутствуют в каждом обороте, прерываясь и возникая вновь, перемешивают горючую смесь. Камера сгорания вращается в подшипниках и выполнена так, что направляет энергию взрыва через окна только в одну сторону. С одного торца камеры сгорания вворачивается свеча, для продувки камеры сгорания используется продувочное окно 26.
Предусмотрена система охлаждения в статоре, а внутренняя полость статора выполнена зеркальной, что позволит снизить тепловые потери. Наружная поверхность ротора также выполнена зеркальной по той же причине.
Запуская ДВС стартером (на чертеже не показан), приводим в движение 4 ротора с лопастями и камеру сгорания, т.к. это единый механизм, связанный шестернями постоянного зацепления. Загруженная камера сгорания поворачивается и блокирует внутри себя заряд горючей смеси и перед началом совпадения с окном второй пары роторов от свечи воспламеняется. Энергия сгорания топлива (топливо - воздушной смеси) между лопастями оказывает силовое действие на лопасти и распространяется по орбите. Каждая лопасть конструктивно является максимально развернутым плечом (h максимально). Энергия сгорания топлива в начальной стадии соответствует максимальному давлению
газов (Рмакс.) в средней части разворота ротора Рномин и перед сбросом в выхлопную трубу Рмин и при этом положение разворота ротора составляет порядка 275° разворота ротора как одного, так и другого в противофазе с аналогично подставленным плечом.
В предлагаемом ДВС Рмах, Рном, Рмин приложены к hмах поэтому все положения очень важны и существенны. У поршневых ДВС рабочий ход короткий и составляет порядка 115° разворота кривошипа.
Существующие поршневые ДВС доведены до совершенства и противопоставить поршневой группе можно только перемещением лопасти в абсолютной близости от крышек, от статора без касания. В заявляемом ДВС это осуществлено - в двигателе потери на трение минимальны в отличие от поршневого. Перемещение лопасти от статора в нескольких микронах реально. Движения в противофазе можно отбалансировать. Детали однотипные, простота снизит затраты на производство, на ремонт. Есть резервы по повышению эксплуатационных качеств и надежности.
Таким образом, получая крутящий момент, превосходящий существующие за счет приложения максимального давления энергии взрыва к максимально развернутому плечу лопатки, уменьшая количество деталей и исключая отдельные детали, приводящие к тепловым потерям, из конструкции (нет кривошипно-шатунного механизма, клапанов газораспределения, вкладышей скольжения, поршневой группы), достигается повышение экономии топлива, снижение механических потерь на трение (сокращается износ лопастей), снижение стоимости ДВС, уменьшение удельной металлоемкости и габаритов, увеличивая продолжительность рабочего хода примерно в 2.5 раза.
1. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенный на валу в подшипниках ротор с лопастями, выполненными с плечами, и межлопастное пространство, статор, камеру сгорания, впускное и выпускное устройства, свечу зажигания, направляющие лопастей, системы водяного охлаждения и искрового зажигания, торцевое уплотнение ротора, отличающийся тем, что двигатель содержит расположенные попарно 4 ротора, при этом каждый ротор имеет плечи для удержания лопасти и радиальную направляющую для перемещения расположенной внутри ротора лопасти, причем плечи лопасти выполнены в основании, а наклонная лопасть является кулачком, камера сгорания расположена между первой и второй парой роторов, при этом каждая пара роторов выполнена с возможностью вращения в противофазе и создания при касании роторов замкнутой полости для осуществления работы 4-х тактного ДВС, а механизм ДВС связан шестернями постоянного зацепления.
2. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что лопасти выполнены подпружиненными.
3. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность статора выполнена зеркальной.
4. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность ротора выполнена зеркальной.
5. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена с горизонтальными окнами, свеча зажигания жестко соединена с камерой сгорания и выполнена с возможностью вращения вместе с камерой сгорания между роторами.
6. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что два горизонтальных окна камеры сгорания выполнены шире остальных.
