Багатосекційний сферичний роторний двигун внутрішнього згоряння

Багатосекційний сферичний роторний двигун внутрішнього згоряння, що включає сферичні роторні двигуни внутрішнього згоряння, кожен з яких включає корпус, який має внутрішню сферичну поверхню з впускним і випускним вікнами, у якому встановлені з можливістю обертання корпусний роторний елемент і два поршневих елементи, розташовані у взаємно перпендикулярних площинах, оснащені опорним і вихідним валами і шарнірно з'єднані з корпусним роторним елементом, чотири робочі камери перемінних об'ємів, утворені між плоскими бічними поверхнями поршневих і корпусного роторного елементів і внутрішньою сферичною поверхнею корпуса і з'єднані з впускним і випускним вікнами, форсункою подачі палива і свічами запалювання, осі поршневих елементів розташовані під кутом, який відрізняється тим, що кут між осями поршневих елементів складає 7,5-65 градусів, корпусний роторний елемент ви 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до роторних машин чи двигунів, а також до двигунів внутрішнього згоряння і може використовуватися як багатопаливний двотактний двигун внутрішнього згоряння. В якості найближчого аналога прийнятий роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, що описаний у бюлетені "Промислова власність" № 2 2001 роки, патент UA № 34704 А пункт 3 від 15.03.2001. Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння містить корпус, що має внутрішню сферичну поверхню з впускним і випускним вікнами, в середині якої розташований роторнопоршневий компресор і робоча машина з роторами (поршневими елементами) у вигляді сферичних сегментів з опорним і вихідним валами, встановлених у корпусі з можливістю обертання, і з кишенями, що мають можливість сполучатися з впускним вікном і каналом, а також з випускним вікном і каналом, осі роторів (поршневих елементів) розташовані під кутом, площина симетрії одного ротора (поршневого елемента) перпендикулярна площині симетрії іншого ротора (поршневого елемента), а між роторами (поршневими елементами) розміщений диск (корпусний роторний елемент), шарнірно з'єднаний з роторами (поршневими елементами), що розділяє внутрішній об'єм двигуна на холодний і гарячий об'єм, між бічними поверхнями роторів (поршневих елементів), диска (корпусного роторного елемента) і внутрішньою сферичною поверхнею корпуси утворюються чотири робочі камери перемінних об'ємів , дві з який утворюють холодний об'єм, а інші дві - гарячий об'єм, камера згоряння розміщена в корпусі окремо від об'ємів компресора і робочої машини і сполучається з об'ємом компресора впускним каналом, а з об'ємом робочої машини - випускним каналом, при цьому об'єм камери згоряння більше, ніж десята частина від об'єму двигуна. Ознаками найближчого аналога, що збігаються з істотними ознаками винаходу, є наявність у багатосекційному сферичному роторному двигуні внутрішнього згоряння корпуса, що має внутрішню сферичну поверхню з впускним і випускним вікнами, у якому встановлені з можливістю обертання корпусний роторний елемент у вигляді диска і два поршневих елементи у вигляді сферичного сектора з плоскими бічними поверхнями, розташовані у взаємно перпендикулярних діаметральних площинах, постачені вхідним і вихідним валами і шарнірно з'єднані з корпусним роторним елементом, між бічними поверхнями поршневих і корпусного роторного елементів та внутрішньою сферичною поверхнею корпусу утворені чотири робочі камери перемінних об'ємів, що циклічно з'єднуються з впускним і випускним вікнами, осі поршневих елементів розташовані під кутом. Технічним результатом винаходу є підвищення плавності роботи багатосекційного сферичного роторного двигуна внутрішнього згоряння, підвищення його потужності відповідно кількості секцій, можливості відбору потужності з валів двигуна під кутом 90, 180, 360 градусів в одній площині, а також в різних площинах, зниження матеріалоємності кожної секції багатосекційного сферичного роторного двигуна внутрішнього згоряння, збільшення 89620 4 робочого об'єму кожної секції двигуна в два рази і його потужності приблизно в 3,6 рази при тому ж діаметрі внутрішньої сферичної поверхні, спрощення конструкції кожної секції двигуна та технології виготовлення корпуса і поршневих елементів сферичного роторного двигуна, підвищення його енергетичних характеристик. Причинами, що перешкоджають одержанню технічного результату при використанні найближчого аналога є: відсутність з'єднання сферичних роторних двигунів в багатосекційний двигун, виконання камери згоряння сферичного роторного дви’ гуна в корпусі окремо від об ємівкамер перемінних ’ об ємів збільшує матеріалоємність роторнопоршневого двигуна, ускладнює конструкцію і технологію виготовлення його корпуса, погіршує енергетичні характеристики двигуна через втрати тепла і втрати при заповненні камери згоряння через впускний канал і видаленні продуктів згоряння через випускний канал. При цьому роторнопоршневий двигун працює як чотиритактний, що приводить до втрати потужності двигуна приблизно в 1,8 рази, у порівнянні з двотактним двигуном внутрішнього згоряння. Конструктивне виконання роторів з кишенями для газорозподільних функцій ускладнює їхню конструкцію і технологію виготовлення. Використання двох камер перемінних об'ємів, в якості компресора приводить до зменшення робочого общему роторно-поршньового двигуна внутрішнього згоряння в два рази при тому ж діаметрі внутрішньої сферичної поверхні. Технічною задачею винаходу є розробка багатосекційного сферичного роторного двигуна внутрішнього згоряння малої матеріалоємності, технологічного у виготовленні, з істотним збільшенням робочого об'єму двигуна і його потужності при тому ж діаметрі внутрішньої сферичної поверхні, що працює по двотактному циклі, з підвищеною плавністю роботи та можливості відбору потужності вихідних валів під кутами в одній чи різних площинах. Технічна задача вирішується тим, що багатосекційний сферичний роторний двигун внутрішнього згоряння містить, з'єднані між собою за допомогою з'єднувальних муфт, сферичні роторні двигуни внутрішнього згоряння, кожен з яких містить корпус, що має внутрішню сферичну поверхню з впускним і випускним вікнами, у якому встановлені з можливістю обертання корпусний роторний елемент і два поршневих елементи, розташовані у взаємно перпендикулярних площинах, постачені вхідним і вихідним валами і шарнірно з'єднані з корпусним роторним елементом, чотири робочі камери перемінних об'ємів, утворені між плоскими бічними поверхнями поршневих і корпусного роторного елементів і внутрішньою сферичною поверхнею корпуса і з'єднані з впускним і випускним вікнами, форсунками подачі палива і свічами запалювання, осі поршневих елементів розташовані під кутом, згідно винаходу, кут між осями поршневих елементів складає 7,5-65 градусів, корпусний роторний елемент виконаний у вигляді диска з торцевою сферичною і плоскими бічними поверхнями, кут нахилу плоских бічних поверхонь до осьової площини корпусного роторного елементу 5 89620 6 складає 3-30 градусів, поршневі елементи виконасферичного роторного двигуна визначається тані у вигляді сферичного сектора з плоскими бічникими параметрами: найбільший розмір кута вими поверхнями і містять вали ковзання, порожнечі значається припустимими умовами роботи одинавалів ковзання і кульові фіксатори для шарнірного рного шарніра Гука (коефіцієнт нерівномірності з'єднання з корпусним роторним елементом, плособертання вихідного вала 30 гатосекційний сферичний роторний двигун внутріградусів не прийнятний через значне збільшення шнього згоряння здійснюється за допомогою з'єдмаси корпусного роторного елемента і сил інерції. нувальних муфт. Вхідний вал наступної секції Оптимальне значення кута =20 градусів. з'єднується з вихідним валом попередньої секції. Розмір кута камери згоряння γ обирається з При цьому вхідний вал наступної секції багатосекумов забезпечення необхідного ступеня стиску 4ційного двигуна повертається на кут 90/n градусів 12 для двигуна на легкому паливі і складає 6-14 (де n - кількість секцій багатосекційного двигуна) в градусів і необхідного ступеня стиску 12-20 для бік, протилежний обертанню вала багатосекційнодизельного двигуна і складає 4-6 градусів. Оптиго двигуна. мальне значення кута =10 градусів для двигуна Між сукупністю істотних ознак винаходу і техна легкому паливі, =5 градусів для двигуна на нічним результатом, що досягається, існує такий дизельному паливі. причинно-наслідковий зв'язок: виконання, згідно Розмір кута між бічною поверхнею поршневинаходу, поршневих елементів без кишень спрового елемента і його осьовою площиною складає щує їхню конструкцію і технологію виготовлення, а 10-45 градусів і обирається в залежності від розмірозміщення камери згоряння безпосередньо в ру кута між осями поршневих елементів, кута робочих камерах перемінних об'ємів дозволяє нахилу бічних поверхонь корпусного роторного виконувати роботу сферичного роторного двигуна елемента до його осьової площини та розміру по двотактному циклі, що дає збільшення потужності двигуна приблизно в 1,8 рази, у порівнянні з кута камери згоряння у для досягнення максимачотиритактним двигуном, при однакових розмірах і льного робочого об'єму двигуна і необхідного стуобертах двигуна, виключає необхідність виконання пеня стиску. Остаточно розмір кутів , , , вивпускного і випускного каналів, спрощує конструкзначається з конструктивних міркувань відповідно цію і технологію виготовлення корпуса сферичного до співвідношення + + + =90 градусів. роторного двигуна внутрішнього згоряння, виклюНаприклад: чає втрати в цих каналах при заповненні камери - для сферичного роторного двигуна внутрішзгоряння і видаленні продуктів згоряння, що понього згоряння, що працює на легкому паливі, роліпшує енергетичні характеристики двигуна. При змір кутів α=30 градусів, β=20 градусів, γ=10 грацьому всі чотири камери перемінних об'ємів викодусів, θ=30 градусів, ристовуються як робочі камери двигуна внутріш- для сферичного роторного двигуна внутрішнього згоряння, що збільшує робочий об'єм сфенього згоряння, що працює на дизельному паливі, ричного роторного двигуна внутрішнього згоряння розмір кутів =35 градусів, =20 градусів, =5 грав 2 рази, а з урахуванням того, що сферичний родусів, =30 градусів. З’єднання сферичних роторторний двигун працює по двотактному циклі, його них двигунів в багатосекційний сферичний роторпотужність збільшується приблизно в 3,6 рази, при ний двигун внутрішнього згоряння здійснюється за однаковому з найближчим аналогом, діаметрі внудопомогою з'єднувальних муфт. Вхідний вал натрішньої сферичної поверхні. Торцева сферична ступної секції з'єднується з вихідним валом попеповерхня корпусного і сферична поверхня поршредньої секції. При цьому вхідний вал наступної невих елементів дозволяє встановити ущільнення. секції багатосекційного двигуна повертається на Розмір кута між осями поршневих елементів кут 90/n градусів (де n - кількість секцій багатосек 7 89620 8 ційного двигуна) в бік, протилежний обертанню рається з умов забезпечення необхідного ступеня вала багатосекційного двигуна. стиску 4-12 для двигуна на легкому паливі і склаВинахід ілюструється графічним матеріалом, дає 6-14 градусів, наприклад γ=10 градусів і необде зображені: хідного ступеня стиску 12-20 для дизельного дви- на Фіг.1 - вид з боку з розрізом багатосекційгуна і градусів і необхідного ступеня стиску 12-20 ного сферичного роторного двигуна внутрішнього для дизельного двигуна і складає 4-6 градусів, згоряння; наприклад =5 градусів. Вихідний 8 і вхідний 9 ва- на Фіг.2, Фіг.3, Фіг.4, Фіг.5 - кінематична схема ли поршневих елементів 5 і 6 встановлені в підз'єднання сферичних роторних двигунів у багатошипниках 24. На сферичній поверхні 7 поршневих секційний сферичний роторний двигун внутрішньоелементів 5, 6 і на сферичної торцевій поверхні 16 го згоряння з кутами 90, 180, 360 градусів між вхікорпусного роторного елемента 15 встановлені дними і вихідними валами; ущільнення (на фігурах не показані). Для впуску - на Фіг.6, Фіг.7, Фіг.8, Фіг.9, Фіг.10 - аксонометповітря і випуску продуктів згоряння використовурична проекція частин сферичного роторного двиються впускне 25 і випускне 26 вікна. Для сферичгуна внутрішнього згоряння (секції багатосекційноного роторного двигуна, що працює на легкому го двигуна); паливі, подача палива в робочі камери здійсню- на Фіг.11 - вид збоку з розрізом секції багатоється через форсунку 27, а його запалення - свісекційного двигуна; чами запалювання 28 і 29. Для сферичного ротор- на Фіг.12 - вид зверху з розрізом секції баганого двигуна, що працює на дизельному паливі, тосекційного двигуна; форсунка 27 не встановлюється, а замість свіч - на Фіг.13 - вид А; запалювання 28 і 29 встановлюються форсунки - на Фіг.14 - корпусний роторний елемент, заподачі дизельного палива 30 і 31. Між плоскими гальний вид; бічними поверхнями 10 поршневих елементів 5 і 6, - на Фіг.15 - корпусний роторний елемент, розкорпусного роторного елемента 17, 18, 19, 20 і різ по Б-Б; внутрішньою сферичною поверхнею 4 корпусу 3 - на Фіг.16 - корпусний роторний елемент, розутворяться чотири робочі камери перемінних об'єріз по В-В. мів 32, 33, 34, 35, що циклічно з'єднуються з впусБагатосекційний сферичний роторний двигун кним вікном 25, та форсункою подачі палива 27 в внутрішнього згоряння містить з'єднані між собою робочі камери перемінних об'ємів 32, 33, 34, 35, за допомогою з’єднувальних муфт 1 сферичні росвічами запалювання 28 і 29 для сферичного роторні двигуни внутрішнього згоряння 2, кожен з торного двигуна, що працює на легкому паливі, яких містить корпус 3, що має внутрішню сферичабо форсунками подачі палива 30 і 31 в робочі ну поверхню 4, у якому встановлені з можливістю камери перемінних об'ємів 32, 33, 34, 35 для сфеобертання поршневі елементи 5 і 6, виконані у ричного роторного двигуна, що працює на дизельвигляді кульового сектора з торцевою сферичною ному паливі і випускним вікном 26. поверхнею 7, вихідним валом 8 і вхідним валом 9 і Сферичний роторний двигун внутрішнього плоскими бічними поверхнями 10, що розташовані згоряння діє в такий спосіб. При обертанні шарнірпід кутом =(10-45) градусів, наприклад 30 градусів но з'єднаних корпусного роторного елемента 15 і до осьової площини поршневого елемента. Поршпоршневих елементів 5 і 6, між їх плоскими бічниневі елементи 5 і 6 мають вали ковзання 11, пороми поверхнями 10 і 17; 10 і 18; 10 і 19; 10 і 20 і внужнечі валів ковзання 12, кульові фіксатори 13 з трішньою сферичною поверхнею 4 корпусу 3 утвопружинами 14 для шарнірного з'єднання з корпусрюються чотири робочі камери перемінних об'ємів ним роторним елементом 15. Корпусний роторний 32, 33, 34, 35, що циклічно з'єднуються з впускним елемент 15 виконаний у вигляді диска з торцевою вікном 25, та форсункою подачі палива 27 в робочі сферичною поверхнею 16 і плоскими бічними покамери перемінних об'ємів 32, 33, 34, 35, свічами верхнями 17, 18, 19, 20, що розташовані під кутом запалювання 28 і 29 для сферичного роторного двигуна, що працює на легкому паливі, або фор=(3-30) градусів, наприклад 20 градусів, до його сунками подачі палива 30 і 31 в робочі камери пеосьової площини. На стиках бічних поверхонь 17 і ремінних об'ємів 32, 33, 34, 35 для сферичного 18, 19 і 20 корпусного роторного елемента 15 вироторного двигуна, що працює на дизельному паконані порожнечі валів ковзання 21, вали ковзання ливі і випускним вікном 26. 22 і западини кульових фіксаторів 23, з розташуДля зазначеного напрямку обертання вхідного ванням їхніх осей у взаємно перпендикулярних валу 9 робочий цикл у камерах перемінних об’ємів діаметральних площинах. Поршневі елементи 5 і 6 здійснюється в наступній послідовності: 32; 32; 33; з'єднані з корпусним роторним елементом 15 за 35, і відбувається за один оберт вала, зі зрушендопомогою шарнірного з'єднання валів ковзання ням однойменних тактів на 90 градусів. Таким чи11, 22, кульових фіксаторів 13, що входять, відпоном, сферичний роторний двигун працює за циквідно, у порожнечі валів ковзання 21, 12 і в запалом двотактного двигуна внутрішнього згоряння і дини кульових фіксаторів 23. Шарнірно з'єднані з за один оберт вхідного валу 9 відбувається чотири корпусним роторним елементом 15, поршневі робочих ходи, що підвищує плавність його оберелементи 5 і 6 конструктивно розташовані у взаєтання і рівномірність обертаючого моменту. Впускмно перпендикулярних площинах, а їхні осі розтане 25 і випускне 26 вікна конструктивно розташошовані під кутом =(7,5-65) градусів, наприклад 30 вані таким чином, щоб визначений проміжок часу градусів, для сферичного роторного двигуна, що кожна з робочих камер 32; 33; 34; 35 була з'єднана працює на легкому паливі і 35 градусів, для сфеодночасно з впускним і випускним вікнами, що дає ричного роторного двигуна, що працює на дизельможливість організувати прямоточну продувку ному паливі. Розмір кута камери згоряння у виби 9 89620 10 робочої камери свіжим повітрям, звільнити її від залежності від виду палива, яке використовується залишків продуктів згоряння за допомогою нагні(легке, дизельне або інше паливо). тача повітря - механічного надування або турбоЗ'єднання сферичних роторних двигунів в банаддуву (на фігурах не показані). Після закриття гатосекційний сферичний роторний двигун внутрівипускного вікна 26 робоча камера залишається шнього згоряння здійснюється за допомогою з'єдз'єднаної з впускним вікном 25, при цьому в ній нувальних муфт. Вхідний вал наступної секції створюється надлишковий тиск свіжого повітря за з'єднується з вихідним валом попередньої секції. рахунок наддування. При подальшому обертанні При цьому вхідний вал наступної секції багатосеквхідного вала 9 впускне вікно 25 перекривається і ційного двигуна повертається на кут 90/n градусів починається стиск повітря в робочій камері. (де n - кількість секцій багатосекційного двигуна) в Подача палива в камери перемінних об'ємів бік, протилежний обертанню вала багатосекційноздійснюється за допомогою упорскування його го двигуна, що дозволяє забезпечити високу плавчерез форсунку, як для дизельного, так і для легність роботи багатосекційного двигуна і досягти кого палива, що виключає втрати палива, забезкутового здвигу між робочими ходами секцій багапечує точність дозування його в залежності від тосекційного сферичного роторного двигуна внутспоживаної потужності і підвищує економічність рішнього згоряння, якого не можна досягнути у сферичного роторного двигуна. Для сферичного чотиритактних двигунах. Так, при наявності чотироторного двигуна, що працює на легкому паливі, рьох секцій багатосекційного двигуна кутовий подача палива здійснюється на початку такту стиздвиг між робочими ходами дорівнює 90/4=22,5 ску повітря в робочій камері перемінного общему, градусів, тоді як у восьмициліндрового чотиритака для сферичного роторного двигуна, що працює тного двигуна він дорівнює 90 градусів. на дизельному паливі, його подача здійснюється Можливість знімати потужність з вхідного та наприкінці такту стиску повітря в робочій камері вихідного валів багатосекційного сферичного роперемінного об’єму. торного двигуна внутрішнього згоряння під кутами 90, 180, 360 градусів (Фіг.2, Фіг.3, Фіг.4, Фіг.5) в Вибір розміру кута (т.т. об'єму камери згоодній чи в різних площинах дозволяє використовуряння) і ступеню стиску сферичного роторного вати його в силових суднових установках, в силодвигуна внутрішнього згоряння здійснюється в вих установках тракторів тощо. 11 89620 12 13 89620 14 15 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 89620 Підписне 16 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601