Двигун внутрішнього згоряння

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности, поршневым, с внутренним и внешним смесеобразованием и может быть использовано в автомобилестроении, тракторостроении, судостроении для двигателей, работающих на различных видах топлива, в т.ч. большой мощности. Наиболее близким к заявляемому является двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну рабочую секцию и коленчатый вал, в котором рабочая секция включает поршневой цилиндр для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси, поршневой цилиндр и снабженный торцовыми крышками роторный цилиндр, ротор которого выполнен в виде вала с жестко закрепленными на нем дисками с сегментными вырезами. Внутренние торцовые поверхности дисков образуют камеру сгорания, а наружные - полость для воздуха или бензиновоздушной смеси и полость для отработанных газов. Камера сгорания и полости взаимосвязаны с поршневыми цилиндрами соединительными каналами. Диски размещены в зоне соединительных каналов и установлены с возможностью последовательного перекрытия каналов, а также последовательного соединения полости поршневого цилиндра для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси с полостью для воздуха или бензиновоздушной смеси и камерой сгорания и полости поршневого рабочего цилиндра с камерой сгорания и полостью для отработанных газов. Роторный цилиндр неподвижно закреплен на торцах поршневых цилиндров, Коленчатый вал шарнирно соединен с поршнями поршневых цилиндров и кинематически жестко с ротором роторного цилиндра. Вал ротора расположен параллельно коленчатому валу двига теля. Полость для воздуха или бензиновоздушной смеси снабжена одним или двумя впускными отверстиями. Полость для отработанных газов снабжена выпускным отверстием. Камера сгорания снабжена по меньшей мере одним отверстием для размещения свечи зажигания или форсунки для впрыскивания топлива (дизельного). При этом поршневой рабочий цилиндр выполнен с объемом, превышающим не менее чем в два раза объем поршневого цилиндра для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси [3]. Однако, в известном двигателе вследствие того, что вра щающиеся части - диски с вырезами - размещены в зоне высоких температур - камере сгорания, затрудняется их равномерное охлаждение, что может привести к заклиниванию дисков и, следовательно, снижению надежности работы двигателя в целом. При этом значительная часть тепла теряется при отводе охлаждающей жидкости. В основу изобретения поставлена задача создания двигателя внутреннего сгорания с вынесенной камерой сгорания, в котором за счет введения дополнительного поршневого рабочего цилиндра и иного конструктивного выполнения дисков ротора и иной взаимосвязи его элементов между собой и с поршневыми цилиндрами обеспечивается эффективное равномерное охлаждение вращающихся элементов двигателя, что повышает надежность его работы, а также КПД двигателя на 2 - 3% за счет использования части тепла для выполнения полезной работы по перемещению поршней поршневых цилиндров. Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем взаимодействующую с коленчатым валом по меньшей мере одну рабочую секцию, включающую поршневой цилиндр для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси, поршневой рабочий цилиндр и роторный цилиндр, ротор которого выполнен в виде вала с жестко закрепленными на нем дисками с вырезами, разделяющими роторный цилиндр на отдельные полости, взаимосвязанные с поршневыми цилиндрами посредством соединительных каналов, роторный цилиндр неподвижно закреплен на торцах поршневых цилиндров, коленчатый вал шарнирно соединен с поршнями поршневых цилиндров и кинематически жестко с ротором роторного цилиндра, вал ротора расположен параллельно коленчатому валу, а диски вала ротора установлены с возможностью открывания и закрывания соединительных каналов, согласно изобретению, рабочая секция содержит дополнительный поршневой рабочий цилиндр, поршневые рабочие цилиндры расположены по сторонам поршневого цилиндра для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси, на валу ротора установлены два центральных диска с вырезами, размещенные в зоне соединительных каналов поршневого цилиндра для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси, и боковые диски с вырезами, каждый из которых расположен в зоне соединительного канала соответствующего поршневого рабочего цилиндра. Диски установлены таким образом, что внутренние торцовые стороны центральных дисков образуют полость для воздуха или бензиновоздушной смеси, наружные торцовые стороны центральных дисков образуют с вн утренними торцовыми сторонами боковых дисков две камеры сгорания, наружные торцовые стороны каждого бокового диска образуют полости для отработанных газов. Камеры сгорания снабжены отверстиями для размещения свечи зажигания или форсунки для впрыскивания дизельного топлива и подачи воды, а коленчатый вал соединен с ротором с передаточным отношением 1 : 2. Каждый поршневой рабочий цилиндр выполнен с объемом, превышающим не менее чем в два раза объем поршневого цилиндра для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси. Полость для воздуха или бензиновоздушной смеси снабжена одним или двумя впускными отверстиями. Роторный цилиндр снабжен торцовыми крышками. Полость для отработанных газов снабжена выпускным отверстием. При этом торцовые стороны каждого центрального диска, образующие полость для воздуха или бензиновоздушной смеси, снабжены двумя вырезами, расположенными диаметрально противоположно, причем один вырез выполнен с длиной дуги C равной 90°, а другой - с длиной дуги равной 80 - 90°. Торцовые стороны каждого центрального диска, образующие камеры сгорания, снабжены одним вырезом с длиной дуги C равной 90°, причем упомянутый вырез смещен на 90° относительно двух вырезов другой торцовой стороны того же диска. Каждая торцовая сторона каждого бокового диска снабжена двумя вырезами, расположенными диаметрально противоположно, причем вырезы торцовых сторон, образующи х, камеры сгорания, смещены друг относительно друга на 90°. Вырезы центральных дисков выполнены на глубин у где - толщина диска; ширина поперечного сечения соединительного канала, а длина дуги невырезанной части дисков толщиной в 1,1 - 3,0 раза превышает высоту поперечного сечения соединительного канала. Вырезы боковых дисков выполнены на глубину где - толщина диска; ширина поперечного сечения соединительного канала, длина дуги невырезанной части дисков толщиной с одной стороны в 1,1 - 3,0 раза превышает высоту поперечного сечения соединительного канала, а с противоположной составляет где высота поперечного сечения соединительного канала. Кроме того, в зоне камеры сгорания на валу ротора закреплены лопатки. По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет за счет введения в конструкцию двигателя дополнительного поршневого рабочего цилиндра, размещения поршневых рабочих цилиндров по сторонам поршневого цилиндра для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси, выполнения дисков с вырезами предлагаемой конструкции и их взаимосвязи с элементами двигателя образовать две камеры сгорания и обеспечить работу каждой из них попеременно в режиме сгорания и режиме охлаждения. Это обеспечивает эффективное равномерное охлаждение вращающихся элементов двигателя, расположенных в зоне высоких температур камерах сгорания, что исключает заклинивание дисков и, следовательно повышает надежность работы двигателя в целом. При этом часть тепла используется для преобразования в камере сгорания воды в пар, который выполняет полезную работу по перемещению поршня поршневого рабочего цилиндра, что повышает КПД двигателя на 2 - 3%. Заявляемая совокупность признаков двигателя обеспечивает также сохранение главных преимуществ двигателя-прототипа: повышение КПД и снижение затрат энергии на охлаждение, возможность управления процессами всасывания в поршневых цилиндрах, подачи в камеру сгорания, выпуска продуктов сгорания и смесеобразования в камерах сгорания; надежное перекрытие каналов, соединяющих камеру сгорания и полости поршневых цилиндров, а также снижение в поршневых рабочих цилиндрах остаточного давления продуктов сгорания до атмосферного к концу рабочего хода. Сущность предлагаемого изобретения поясняется представленными чертежами. На фиг.1 и 2 изображен двигатель, продольный разрез; на фиг.3 и 4 - диски с вырезами; на фиг.5 - 10 - рабочие положения элементов двигателя в процесса одного рабочего цикла. Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну рабочую секцию, включающую поршневой цилиндр 1 для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси и расположенные по сторонам поршневого цилиндра 1 поршневые рабочие цилиндры 2, 3 с размещенными в них поршнями 4, 5, 6, шарнирно связанными посредством шатунов 7, 8, 9 с коленчатым валом 10 двигателя, и неподвижно закрепленный на торцах поршневых цилиндров 1, 2, 3 роторный цилиндр 11, снабженный торцовыми крышками 12. Роторный цилиндр 11 взаимосвязан с поршневыми цилиндрами 1, 2, 3 соединительными каналами 13, 14, 15, 16. В роторном цилиндре 11 размещен ротор, выполненный в виде жестко закрепленных На валу 17 центральных дисков 18, 19, установленных в зоне соединительных каналов 13, 14, и боковых дисков 20, 21, установленных в зоне соответствующих соединительных каналов 15, 16. Диски размещены на валу 17 таким образом, что вн утренние торцовые стороны центральных дисков 18, 19 образуют полость 22 для воздуха или бензиновоздушной смеси; наружные торцовые стороны центральных дисков 18, образуют с внутренними торцовыми сторонами боковых дисков 20, 21 две камеры сгорания 23, 24; наружные торцовые стороны боковых дисков 20, 21 образуют с торцовыми крышками 12 полости 25, 26 для отработанных газов. Вал 17 ротора жестко соединен посредством кинематической связи 27 с коленчатым валом 10 двигателя и расположен параллельно коленчатому валу 10. При этом коленчатый вал 10 соединен с ротором с передаточным отношением 1 : 2. Торцовые стороны центральных дисков 18, 19 снабжен двумя вырезами, расположенными диаметрально противоположно; один вырез выполнен с длиной дуги равной 90°, а другой - с длиной дуги равной 80 - 90° (фиг.3). Упомянутые вырезы расположены со стороны полости 22. Торцовые стороны каждого центрального диска 18,19 со стороны камер сгорания 23, 24 снабжены одним вырезом с длиной дуги равной 90°. Вырез дисков 18, 19 со стороны камер сгорания 23, 24 смещен на 90° относительно вырезов дисков с другой торцовой стороны. Каждая торцовая сторона боковых дисков 20, 21 имеет два выреза, расположенные диаметрально противоположно и смещенные друг относительно друга на 90°. Вырезы центральных дисков выполнены на глубин у где - толщина диска; ширина поперечного сечения соединительного канала 13, 14. Длина дуги невырезанной части дисков 18, 19 толщиной составляет 1,1 - 3,0 высоты поперечного сечения соединительного канала 13, 14. Вырезы боковых дисков 20, 21 выполнены на глубин у для бензиновых двигателей для дизельных двигателей где - толщина диска; ширина поперечного сечения соединительного канала 15, 16. Длина дуги невырезанной части дисков 20, 21 толщиной с одной стороны в 1,1 - 3,0 раза превышает высоту поперечного сечения соединительного канала 15, 16, а с противоположной составляет где высота поперечного сечения соединительного канала 15, 16. На поверхности камер сгорания 23, 24 выполнены отверстия 28, 29 для установки форсунки для впрыскивания дизельного топлива в дизельном двигателе или свечи зажигания в бензиновом двигателе, а также отверстия 30, 31 для установки форсунки для подачи воды. Камеры сгорания 23, 24 снабжены клапанами 32, 33. Полость для воздуха или бензиновоздушной смеси 22 снабжена одним 34 (фиг.1) или двумя 34, 35 (фиг.2) впускными отверстиями. Полости для отработанных газов 25, 26 снабжены выпускными отверстиями 36, 37. На валу 17 ротора в камерах сгорания 23, 24 закреплены лопатки 38 для создания направленного потока воздуха или смеси. На торцовой поверхности дисков 18, 19, 20, 21 выполнены канавки для укладки уплотнительных колец (не обозначены). Поршни 4, 5, 6 снабжены уплотнительными кольцами (не обозначены) для герметичной изоляции надпоршневого объема. Поршневые рабочие цилиндры 2, 3 выполнены с объемом, превышающим не менее чем в два раза объем поршневого цилиндра 1 для всасывания и сжатия воздуха или бензиновоздушной смеси. Такое соотношение объемов цилиндров выбрано из условия обеспечения снижения давления в цилиндрах 2, 3 до атмосферного к концу рабочего хода поршней 5, 6 и определяется по формуле откуда где и - рабочие объемы цилиндров 2, 3, 1; давление продуктов сгорания при расширении их до объема давление продуктов сгорания при расширении их до объема - показатель политропы расширения. Для бензиновых двигателей Для дизельных двигателей При (атмосферное давление) пределы изменения составляют: Соотношение объемов и определяет соотношение объемов поршневых цилиндров 2, 3 и 1 при одинаковом рабочем ходе поршня. Работа двигателя осуществляется следующим образом. Исходное положение - поршни 4, 5, 6 находятся в верхней мертвой точке (фиг.5). При этом диски 18, 19, 20, 21 полностью перекрывают каналы 13, 14, 15, 16. При пуске двигателя поршни 4, 5, 6 начинают перемещаться вниз и вал 17 ротора с дисками 18, 19, 20, 21 поворачивается, открывая каналы 13, 14, 15, 16. При этом вырезы дисков 18, 19 открывают каналы 13, 14 таким образом, что поршневой цилиндр 1 соединяется с полостью 22. Поступающая из карбюратора через впускное отверстие 34 готовая бензиновоздушная смесь (бензиновый двигатель) или поступающий через впускное отверстие 34 воздух (дизельный двигатель) перемещением поршня 4 всасываются через полость 22 в надпоршневую полость поршневого цилиндра 1. Процесс заполнения заканчивается в нижней мертвой точке. В двигателе, изображенном на фиг.2, через впускные отверстия 34, 35 подаются воздух и бензин, которые смешиваются непосредственно в полости 22 (бензиновый двигатель) или через одно или два отверстия 34, 35 подается воздух (дизельный двигатель). Одновременно при перемещении поршней 4, 5, 6 вырезы дисков 20, 21 открывают каналы 15, 16 таким образом, что надпоршневые полости поршневых рабочих цилиндров 2, 3 соединяются с камерами сгорания. При этом в камерах сгорания 23, 24 создается разрежение, клапаны 32, 33 открываются и камеры сгорания соединяются с атмосферой, что позволяет уменьшить пусковой момент двигателя (фиг.6). При движении поршней 4, 5, 6 вверх вырез диска 19 открывает канал 14 таким образом, что надпоршневая полость поршневого цилиндра 1 соединяется с камерой сгорания 24. При вырезе с длиной дуги менее 90° соединение поршневого цилиндра 1 с камерой сгорания 24 произойдете небольшим запаздыванием и к моменту открытия канала 15 воздух или бензиновоздушная смесь в поршневом цилиндре 1 будут частично сжаты. Вырез диска 21 соединяет камеру сгорания 24 с полостью 26. При этом осуществляется продувка камеры сгорания 24 воздухом или бензиновоздушной смесью (фиг.7). После того, как вырез диска 21 перекроет канал 16 со стороны камеры сгорания 24 происходит сжатие воздуха или бензиновоздушной смеси в поршневом цилиндре 1 и выталкивание их через канал 14 в камеру сгорания 24. Степень сжатия определяется соотношением объемов поршневого цилиндра 1, камеры сгорания 24 и канала 14. Одновременно с движением поршней вверх в камеру сгорания 23 через установленную в, отверстии 28 форсунку впрыскивается вода для охлаждения. При дальнейшем перемещении поршней 4, 5, 6 вверх вырезы дисков 20, 21 соединяют поршневые рабочие цилиндры с полостями 25, 26 и в результате воздух или бензиновоздушная смесь из поршневых рабочих цилиндров 2, 3 выталкиваются в полости 25, 26 через выпускные отверстия 36, 37 в атмосферу, например, через выхлопную трубу (фи г.8). В верхней мертвой точке (положение элементов аналогично фиг.5) каналы перекрыты дисками 18, 19, 20, 21 полностью. В камеру сгорания 24 через установленную в отверстии 29 форсунку впрыскивается топливо (дизельный двигатель) или через свечу зажигания подается электрический разряд (бензиновый двигатель). После воспламенения горючей смеси в камере сгорания 24 и испарения воды в камере сгорания 23 вырез диска 21 открывает канал 16 со стороны камеры сгорания 24, соединяя ее с поршневым рабочим цилиндром 3, а вырез диска 20 - канал 15 со стороны камеры сгорания 23, соединяя ее с поршневым рабочим цилиндром 2. Продукты сгорания под высоким давлением устремляются в поршневой рабочий цилиндр 3 и, расширяясь, выполняют работу по перемещению поршня 6, а образовавшийся в камере сгорания 23 пар - в поршневой рабочий цилиндр 2, также выполняя работу по перемещению поршня 5. Одновременно диски 18, 19 открывают каналы 13, 14 и соединяют полость 22 с надпоршневой полостью цилиндра 1. В последнем происходит процесс всасывания воздуха или бензиновоздушной смеси (положение элементов аналогично фиг.6). Рабочий ход в поршневых рабочих цилиндрах 2, 3 и всасывание в поршневом цилиндре 1 осуществляются до нижней мертвой точки поршней 4, 5, 6. При этом в конце. рабочего хода поршней 5, 6 давление в цилиндрах 2, 3 близко к атмосферному. При движении поршней 4, 5, 6 вверх вырез диска 18 открывает канал 13 таким образом, что поршневой цилиндр 1 соединяется с камерой сгорания 23. Вырез диска 20 соединяет камеру сгорания 23 с полостью 25. При этом осуществляется продувка камеры сгорания 23 воздухом или бензиновоздушной смесью, выталкиваемыми из поршневого цилиндра 1 (фиг.9). После того, как вырез диска 20 перекроет канал 15 со стороны камеры сгорания 23 (фиг.10) происходит сжатие воздуха или бензиновоздушной смеси в поршневом цилиндре 1 и выталкивание сжимаемого воздуха или смеси через канал 13 в камеру сгорания 23. Степень сжатия определяется соотношением объемов поршневого цилиндра 1, камеры сгорания 23 и канала 13. При дальнейшем перемещении поршней 4, 5, 6 вверх вырезы дисков 20, 21 соединяют поршневые рабочие цилиндры 2, 3 с полостями 25, 26 и в результате воздух или бензиновоздушная смесь или пар выталкиваются из поршневых цилиндров 2, 3 в полости 25, 26 и далее через отверстия 36, 37 в атмосферу. Одновременно при движении поршней вверх в камеру сгорания 24 через установленную в отверстии 27 форсунку впрыскивается вода для охлаждения. При подходе поршней 4, 5, 6 к верхней мертвой точке в поршневом цилиндре 1 заканчивается процесс сжатия, а в поршневых рабочих цилиндрах 2, 3 - процесс выпуска (положение элементов аналогично фиг.5). В верхней мертвой точке каналы 13, 14, 15, 16 перекрыты полностью дисками 18, 19, 20, 21. В камеру сгорания впрыскивается через установленную в отверстии 28 форсунку топливо или через свечу зажигания подается электрический разряд. Процесс повторяется.