RU2701651C1 - Spherical internal combustion engine - Google Patents
Spherical internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2701651C1 RU2701651C1 RU2019113732A RU2019113732A RU2701651C1 RU 2701651 C1 RU2701651 C1 RU 2701651C1 RU 2019113732 A RU2019113732 A RU 2019113732A RU 2019113732 A RU2019113732 A RU 2019113732A RU 2701651 C1 RU2701651 C1 RU 2701651C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- sector
- crankshaft
- block
- spherical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C3/00—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members
- F01C3/06—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B55/00—Internal-combustion aspects of rotary pistons; Outer members for co-operation with rotary pistons
- F02B55/14—Shapes or constructions of combustion chambers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to engine building, in particular to internal combustion engines.
Из уровня техники известен Паровой двигатель Тауэра [https://geektimes.ru/post/279724/, опубл. 31.08.2016 г.], содержащий сферический корпус, внутри которого смонтирован диск вращения и изменения объема, на диск с двух сторон шарнирно опираются полусферические элементы, соединенные с валами отбора мощности, в корпусе выполнены отверстия для подачи и выпуска пара.The prior art Steam engine of the Tower [https://geektimes.ru/post/279724/, publ. 08/31/2016], containing a spherical case, inside which a rotation and volume change disk is mounted, hemispherical elements connected to power take-off shafts are hinged on the disk on both sides, holes for supplying and discharging steam are made in the case.
Недостатками аналога являются сложность в изготовлении, обусловленная высокими требованиями к допускам размеров и зазоров, сложность сборки, обусловленная кинематикой механизма, сложный тепловой режим механизма.The disadvantages of the analogue are the difficulty in manufacturing, due to high requirements for tolerances of dimensions and gaps, the complexity of the assembly, due to the kinematics of the mechanism, the complex thermal regime of the mechanism.
Известен сферический двигатель, раскрытый в патенте RO 121611 В1, (кл. F02B 53/02, 30.04.2004), содержащий коленчатый вал и корпус с внутренней сферической камерой, внутри которого расположен колебательный поршень, выполненный в виде сегмента сферы, диаметр основания которого равен диаметру сферы. Сегмент сферы разделяет сферическую камеру на две рабочие камеры. При этом при вращении сегмента сферы объем рабочей камеры увеличивается и уменьшается, при этом, в двигателе осуществляться цикл Дизеля.Known spherical engine disclosed in patent RO 121611 B1, (class F02B 53/02, 04/30/2004), comprising a crankshaft and a housing with an internal spherical chamber, inside of which there is an oscillating piston made in the form of a segment of a sphere, the diameter of the base of which is equal to the diameter of the sphere. The sphere segment divides the spherical chamber into two working chambers. In this case, when the sphere segment is rotated, the volume of the working chamber increases and decreases, while a diesel cycle is carried out in the engine.
Недостатками заявленного решения являются недолговечные уплотнения и система смазки, технологическая сложность изготовления деталей двигателя, сложность сборки и регулировки, сложности охлаждения деталей двигателя.The disadvantages of the claimed solution are short-lived seals and a lubrication system, the technological complexity of manufacturing engine parts, the complexity of assembly and adjustment, the difficulty of cooling engine parts.
Известен сферический двигатель внутреннего сгорания, раскрытый в патенте 2227211 (кл. F01C 3/06, 20.04.2004), содержащий разъемный корпус, сферическую полостью, в которой расположена подвижная дисковая перегородка, первый ротор закрепленный на валу, опирающемся на подшипники в расточке корпуса и являющемся выходным, второй ротор закрепленный с возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала, несущей ротор, и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости таким образом, что роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема, сообщающиеся посредством окон и каналов, при этом сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором.Known spherical internal combustion engine disclosed in patent 2227211 (CL F01C 3/06, 04/20/2004) containing a detachable body, a spherical cavity in which the movable disk partition is located, the first rotor mounted on a shaft, supported by bearings in the housing bore and being the output, the second rotor is rotatably mounted on the end of another shaft, made eccentric and rotatably fixed in the housing bore, with the axis of the shaft part carrying the rotor and the axis of the shaft part fixed in the raster They intersect in the center of the spherical cavity in such a way that the rotors and the disk partition form a Hook joint inside the housing, forming chambers of variable volume communicating with the walls of the spherical cavity through windows and channels, while the spherical cavity is made on the inner surface of the sleeve located inside the housing with the possibility of rotation together with the output shaft, on which it is rigidly fixed together with the first rotor.
Недостатки технологическая сложность изготовления деталей двигателя, сложность сборки и регулировки, большой момент инерции движущихся масс, сложности охлаждения деталей двигателя (гильза 4), большое количество движущихся деталей и связанные с ними механические потери.The disadvantages are the technological complexity of manufacturing engine parts, the complexity of assembly and adjustment, the large moment of inertia of the moving masses, the difficulty of cooling the engine parts (sleeve 4), the large number of moving parts and the associated mechanical losses.
Заявленное техническое решение направлено на решение задачи создания малогабаритного сферического двигателя внутреннего сгорания с высокой удельной мощностью и большим ресурсом, с возможностью реализации работы как по циклу Отто, так по циклу Дизеля.The claimed technical solution is aimed at solving the problem of creating a small-sized spherical internal combustion engine with a high specific power and a long resource, with the possibility of implementing work both on the Otto cycle and on the Diesel cycle.
Технические результаты заявленного изобретения заключаются в повышении удельных показателей мощности и компактности (удельный агрегатный вес и удельный агрегатный объем), а также улучшении ремонтопригодности и увеличении ресурса двигателя.The technical results of the claimed invention are to increase the specific power and compactness (specific aggregate weight and specific aggregate volume), as well as improving maintainability and increasing engine life.
Заявленные технические результаты достигаются благодаря тому, что сферический двигатель внутреннего сгорания, содержит разъемный неподвижный корпус с внутренней сферической камерой, внутри которой расположены две рабочие камеры, впускные и выпускные каналы, газораспределительный механизм, при этом неподвижный разъемный корпус состоит из блока и головки блока, в которых расположены полусферы внутренней сферической камеры, при этом в головке блока установлен сектор, содержащий две камеры сгорания, который кинематически связан при помощи зубчатой передачи с газораспределительным механизмом десмодромного типа, а в блоке размещены шаровой пояс с жестко закрепленным фрикционным диском, разделяющий внутреннюю сферическую камеру двигателя на три не сообщающиеся части: две рабочие камеры и картер двигателя, коленчатый вал с консольным расположением поясной шейки и подпружиненное кольцо, выполненное с возможностью давления на фрикционный диск с образованием системы синхронизации, при этом центр сферической камеры расположен на пересекающихся осях шарового пояса, сектора и коленчатого вала, а шаровой пояс и сектор соединены между собой и выполнены с возможностью вращения вместе с коленчатым валом, на котором жестко закреплен маховик.The claimed technical results are achieved due to the fact that the spherical internal combustion engine contains a detachable fixed housing with an internal spherical chamber, inside of which are two working chambers, inlet and outlet channels, a gas distribution mechanism, while the fixed detachable housing consists of a block and a block head, in which are located hemispheres of the inner spherical chamber, while in the head of the block is installed a sector containing two combustion chambers, which is kinematically connected gears with a gas distribution mechanism of a desmodromic type, and the block contains a ball belt with a rigidly fixed friction disk that divides the internal spherical chamber of the engine into three non-communicating parts: two working chambers and a crankcase, a crankshaft with a cantilever arrangement of the waist neck and a spring-loaded ring, made with the possibility of pressure on the friction disk with the formation of a synchronization system, while the center of the spherical chamber is located on the intersecting axes of the ball belt, sect ra and the crankshaft, and the ball belt and the sector are interconnected and made to rotate together with the crankshaft, on which the flywheel is rigidly fixed.
Заявленное техническое решение поясняется следующими чертежами:The claimed technical solution is illustrated by the following drawings:
Фиг. 1 и 2 Сферический двигатель внутреннего сгорания - продольное сечение.FIG. 1 and 2 Spherical internal combustion engine - longitudinal section.
Фиг. 3 Газораспределительный механизм сечение по оси выпускного канала.FIG. 3 Gas distribution mechanism section along the axis of the exhaust channel.
Фиг. 4 Аксонометрическое изображение системы уплотнения.FIG. 4 Axonometric view of the sealing system.
Фиг. 5 Аксонометрическое изображение и разрез коленчатого вала.FIG. 5 Axonometric image and section of the crankshaft.
Фиг. 6 Аксонометрическое изображение и разрез пояса.FIG. 6 Axonometric image and section of the belt.
Фиг. 7 Аксонометрическое изображение и разрез сектора.FIG. 7 Axonometric image and section of the sector.
Фиг. 8 Геометрическая модель силового механизма.FIG. 8 Geometric model of the power mechanism.
Фиг. 9 Передаточная функция силового механизма.FIG. 9 The transfer function of the power mechanism.
Фиг. 10 Диаграмма газораспределения сферического двигателя.FIG. 10 Timing diagram of a spherical engine.
Позициями на указанных фигурах указаны следующие элементы:The positions on these figures indicate the following elements:
1 - блок;1 - block;
2 - головка блока;2 - block head;
3 - сектор;3 - sector;
4 - шаровой пояс;4 - ball belt;
5 - коленчатый вал;5 - a cranked shaft;
6 - маховик;6 - flywheel;
7 - камера сгорания;7 - a combustion chamber;
8 - рабочая камера;8 - a working chamber;
9 - свечи зажигания;9 - spark plugs;
10 - гильза коленчатого вала;10 - a sleeve of a cranked shaft;
11 - гильза пояса;11 - sleeve of the belt;
12 - гильза сектора;12 - sleeve sector;
13 - вкладыш подшипника скольжения коленчатого вала;13 - the liner of the bearing of the crankshaft;
14 - вкладыш подшипника скольжения пояса;14 - liner of the bearing of the sliding belt;
15 - вкладыш подшипника скольжения сектора;15 - insert bearing sector;
16 - ступица коленчатого вала;16 - a nave of a cranked shaft;
17 - штифт;17 - a pin;
18 - зубчатый венец маховика;18 - a gear ring of a flywheel;
19 - крышка коленчатого вала;19 - a cover of a cranked shaft;
20 - фрикционный диск;20 - a friction disk;
21 - упорные полукольца;21 - persistent half rings;
22 - каналы системы смазки;22 - channels of the lubrication system;
23 - штуцер сектора;23 - sector fitting;
24 - трубка;24 - tube;
25 - крышка сектора;25 - sector cover;
26 - масляный фильтр;26 - oil filter;
27 - приемный патрубок системы охлаждения;27 - a receiving branch pipe of the cooling system;
28 - отводящий патрубок системы охлаждения;28 - outlet pipe of the cooling system;
29 - выпускной коллектор;29 - exhaust manifold;
30 - стяжные шпильки с гайками;30 - tie rods with nuts;
31 - трамблер;31 - distributor;
32 - масляный насос;32 - oil pump;
33 - масляный поддон;33 - oil pan;
34 - колпачок пояса;34 - belt cap;
35 - поясной палец;35 - waist finger;
36 - система уплотнений;36 - sealing system;
37 - крышка колодца клапана;37 - valve well cover;
38 - газораспределительный механизм;38 - gas distribution mechanism;
39 - выпускной канал головки блока;39 - exhaust channel of the block head;
40 - впускной канал головки блока;40 - inlet channel of the block head;
41 - верхнее кольцо подшипника;41 - the upper ring of the bearing;
42 - нижнее кольцо подшипника;42 - the lower bearing ring;
43 - седло;43 - a saddle;
44 - клапан;44 - valve;
45 - крышка клапана;45 - valve cover;
46 - направляющая клапана;46 - valve guide;
47 - гайка;47 - a nut;
48 - толкатель;48 - pusher;
49 - регулировочные шайбы;49 - adjusting washers;
50 - каналы системы охлаждения;50 - channels of the cooling system;
51 - подшипники шариковые упорные;51 - thrust ball bearings;
52 - барабан;52 - drum;
53 - подпружиненное кольцо.53 - spring-loaded ring.
Двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный разъемный корпус состоящий из блока (1) и головки блока (2). В корпусе двигателя внутреннего сгорания расположена внутренняя сферическая камера, выполненная из двух полусфер, одна из которых расположена в головке блока, а вторая в блоке.The internal combustion engine contains a stationary detachable housing consisting of a block (1) and a block head (2). The internal spherical chamber is located in the body of the internal combustion engine, made of two hemispheres, one of which is located in the head of the block, and the second in the block.
В головке блока установлен сектор (3), содержащий две камеры сгорания (7).A sector (3) is installed in the head of the block, containing two combustion chambers (7).
Ключевой особенностью сектора является его достаточно большой вес, продиктованный большими тепловыми и механическими нагрузками, а также расположением камер сгорания именно в секторе - не в поясе, за счет чего деталь получается массивной, имеет сложное напряженно-деформированное состояние.A key feature of the sector is its fairly large weight, dictated by large thermal and mechanical loads, as well as the location of the combustion chambers in the sector - not in the belt, due to which the part is massive, has a complex stress-strain state.
В блоке установлен шаровой пояс (4) разделяющий внутреннюю сферическую камеру двигателя на 3 не сообщающиеся части: 2 рабочие камеры переменного объема (8) и картер двигателя, сообщающийся при помощи канала с масляным поддоном двигателя (33).A ball belt (4) is installed in the unit, which divides the internal spherical chamber of the engine into 3 non-communicating parts: 2 working chambers of variable volume (8) and an engine crankcase communicating via a channel with the engine oil pan (33).
Шаровой пояс (4) совершает сложное движение, состоящее из нутационного движения и вращательного движения, из-за чего угол между поясом и сектором постоянно изменяется по гармоническому закону в заданных пределах, наибольшее значение угла между осями пояса и сектора с точки зрения проектирования должно лежать в пределах 90…150 градусов. За счет изменения данного угла изменяются объемы рабочих камер (8), в которых находится рабочее тело двигателя.The ball belt (4) makes a complex movement, consisting of nutation movement and rotational movement, because of which the angle between the belt and the sector constantly changes according to harmonic law within the given limits, the largest value of the angle between the belt and sector axes from the design point of view should lie in within 90 ... 150 degrees. Due to a change in this angle, the volumes of the working chambers (8), in which the working fluid of the engine is located, change.
Рабочие камеры (8) вращаются вместе с сектором с переменной угловой скоростью по гармоническому закону, средняя скорость которого равна половине угловой скорости коленчатого вала. Рабочие камеры поочередно проходят мимо клапанов (44), за счет открытия и закрытия которых происходит газообмен в двигателе.The working chambers (8) rotate together with a sector with a variable angular velocity according to a harmonic law, the average speed of which is equal to half the angular velocity of the crankshaft. The working chambers alternately pass by valves (44), due to the opening and closing of which gas exchange occurs in the engine.
Ключевой особенностью шарового пояса является высокая термонагруженность, поэтому в поясе предусмотрены каналы и внутренние полости, через которые протекает масло не только смазывающее пары трения, но и охлаждающее пояс. Шаровой пояс может быть выполнен как цельной деталью, так и составной. Составной пояс имеет жаровой пояс, выполненный из жаропрочного материала и корпус пояса, выполненный с масляными каналами, к которому крепятся гильзы пояса, фрикционный диск (20), жаровой пояс, гильза пояса (11) с вкладышами.A key feature of the ball belt is its high thermal loading, therefore, the belt has channels and internal cavities through which oil flows not only lubricating friction pairs, but also the cooling belt. The spherical belt can be made as a solid part, and composite. The composite belt has a heat belt made of heat-resistant material and a belt case made with oil channels to which the belt sleeves, the friction disk (20), the heat belt, the belt sleeve (11) with liners are attached.
Шаровой пояс и сектор установлены в блоке и головке блока, соответственно, с зазором, который компенсирует тепловое расширение деталей двигателя.The ball belt and the sector are installed in the block and the block head, respectively, with a gap that compensates for the thermal expansion of the engine parts.
Выходным звеном с которого снимается мощность является коленчатый вал (5), расположенный в блоке.The output link from which power is removed is the crankshaft (5) located in the block.
Ключевой особенностью коленчатого вала является консольное расположение поясной шейки, ось которой не параллельна коренной, а расположена под строго определенным углом (этот параметр нельзя варьировать при заданной геометрии блока и головки блока), за счет этого коленчатый вал практически лишен нагружения изгибающим моментом и основная нагрузка приходящаяся на него - это нагрузка на срез, за счет чего достигается большая жесткость коленчатого вала и существенный запас по прочности.A key feature of the crankshaft is the cantilever arrangement of the waist neck, the axis of which is not parallel to the root, but located at a strictly defined angle (this parameter cannot be varied for a given geometry of the block and the head of the block), due to this the crankshaft is practically devoid of bending moment loading and the main load on it is the load on the slice, due to which a greater rigidity of the crankshaft and a significant margin of strength are achieved.
Для компенсации пульсации крутящего момента на коленчатом валу установлен маховик (6).To compensate for pulsation of torque, a flywheel (6) is installed on the crankshaft.
Коленчатый вал и сектор установлены на вкладышах подшипников скольжения (13) и (15) соответственно, установленных в стаканах, состоящих из гильз (10) и (12) соответственно, осевая фиксация коленчатого вала происходит через ступицу (16) за счет упорных полуколец (21), установленных на стакане коленчатого вала.The crankshaft and the sector are mounted on the bearings (13) and (15), respectively, installed in cups consisting of sleeves (10) and (12), respectively, the axial fixing of the crankshaft occurs through the hub (16) due to persistent half rings (21 ) mounted on the crankshaft cup.
Данный механизм имеет мертвое положение для прохождения которого применяется механизм синхронизации фрикционного типа, состоящий из подпружиненного кольца (53), установленного между стаканом коленчатого вала и блоком, и фрикционного диска (20), жестко закрепленного на шаровом поясе (4). Данный механизм создает точку опоры, опираясь на которую пояс за счет собственной инерции проходит мертвое положение.This mechanism has a dead position for the passage of which a friction-type synchronization mechanism is used, consisting of a spring-loaded ring (53) installed between the crankshaft cup and the block, and a friction disk (20) rigidly fixed to the ball girdle (4). This mechanism creates a fulcrum, based on which the belt, due to its own inertia, passes the dead position.
Следует отметить, что данный механизм в большей мере необходим при пуске и остановке двигателя, когда силы инерции недостаточно велики для самостоятельного преодоления механизмом мертвого положения с ростом же оборотов необходимость в этом механизме пропадает.It should be noted that this mechanism is more necessary when starting and stopping the engine, when the inertia forces are not large enough for the mechanism to independently overcome the dead position with increasing speed, the need for this mechanism disappears.
В головке блока размещен газораспределительный механизм (38).A gas distribution mechanism (38) is located in the head of the block.
Газораспределительный механизм десмодромного типа, отличается от аналогичных тем, что угловая скорость барабана (52) переменная величина, изменяющаяся по гармоническому закону, средняя скорость которого равна 2/5 угловой скорости коленчатого вала. Барабан кинематически связан с сектором при помощи зубчатой передачи, таким образом, закон изменения угловой скорости сектора накладывается на закон движения барабана. Движение клапану (44) передается от толкателя (48), установленного внутри барабана. Толкатель связан с барабаном посредством ролика, катящегося в профилированной канавке, выполненной на внутренней поверхности барабана. От осевого вращения толкатель удерживает паз, выполненный в крышке клапана (45).The gas distribution mechanism of the desmodrome type differs from similar ones in that the angular velocity of the drum (52) is a variable that varies according to a harmonic law, the average speed of which is equal to 2/5 of the angular velocity of the crankshaft. The drum is kinematically connected to the sector by means of a gear transmission, thus, the law of variation of the angular velocity of the sector is superimposed on the law of movement of the drum. The movement of the valve (44) is transmitted from the pusher (48) installed inside the drum. The pusher is connected to the drum by means of a roller rolling in a profiled groove made on the inner surface of the drum. From axial rotation, the pusher holds the groove made in the valve cover (45).
Десмодромный механизм позволяет выдерживать на порядок более высокие обороты и сохранять фазы газораспределения при любых оборотах двигателя, что обеспечивает стабильность характеристик двигателя и большее термодинамическое качество цикла (близость к теоретическому расчетному циклу), а также позволяет существенно увеличить время-сечение клапана (характеристика определяющая пропускную способность газораспределительного механизма и соответственно максимально возможные обороты двигателя).The desmodrome mechanism allows you to withstand an order of magnitude higher revolutions and maintain the gas distribution phases at any engine speed, which ensures stability of the engine characteristics and greater thermodynamic quality of the cycle (proximity to the theoretical design cycle), and also allows to significantly increase the valve time-section (a characteristic that determines the throughput gas distribution mechanism and, accordingly, the maximum possible engine speed).
Это достигается за счет изменения характеристики подъема клапана, представляющего собой разрывную функцию, из-за того что впуск и выпуск осуществляется непосредственно одной камеры за другой клапана открываются в одной камере а закрываются уже в другой камере, разрывность образуется из-за того что для каждой камеры часть газообмена обусловлена положением клапана а часть положением сектора и пояса которые пересекая седла клапанов (43) в головке блока также принимают участие в управлении газообменом.This is achieved by changing the lift characteristic of the valve, which is a discontinuous function, due to the fact that the inlet and outlet are carried out directly by one chamber after another, the valves open in one chamber and close in another chamber, discontinuity is formed due to the fact that for each chamber part of the gas exchange is determined by the position of the valve and part by the position of the sector and the belt which crossing the valve seats (43) in the head of the unit also take part in the management of gas exchange.
Следует также отметить увеличенные геометрические размеры клапана по сравнению с поршневым двигателем, разница в пропускной способности по сравнению с ГРМ двигателя выполненного по схеме квадрат и имеющего по 2 клапана на цилиндр лежит в пределах 1.37…1.88, что существенно влияет на наполнение и пиковые обороты.It should also be noted the increased geometric dimensions of the valve compared to the piston engine, the difference in throughput compared to the timing of an engine made according to the square scheme and having 2 valves per cylinder is in the range 1.37 ... 1.88, which significantly affects the filling and peak speed.
Работа сферического двигателя внутреннего сгорания по циклу Отто:The work of a spherical internal combustion engine according to the Otto cycle:
1. Такт впуска: угол между шаровым поясом и сектором растет и топливно-воздушная смесь засасывается в двигатель.1. Intake cycle: the angle between the ball zone and the sector increases and the fuel-air mixture is sucked into the engine.
2. Сжатие заряда: после прохождения мертвого положения угол начинает уменьшаться и топливо-воздушная смесь сжимается до минимального объема вплоть до момента воспламенения.2. Charge compression: after passing the dead position, the angle begins to decrease and the fuel-air mixture is compressed to a minimum volume until the moment of ignition.
3. Рабочий ход: происходит горение с расширением газа за счет роста угла между шаровым поясом и сектором.3. Working stroke: combustion occurs with gas expansion due to an increase in the angle between the ball zone and the sector.
4. Такт выпуска', в момент достижения максимального объема отработанные газы выводятся из двигателя через выпускной клапан.4. Release cycle ', when the maximum volume is reached, the exhaust gases are removed from the engine through the exhaust valve.
Обоснование термодинамической эффективности сферического двигателя.Justification of the thermodynamic efficiency of a spherical engine.
Из законов термодинамики известно, что потери тепла происходят от контакта рабочего тела с поверхностью пропорционально ее площади, а снижение температуры зависит от объема газа, для снижения потерь необходимо увеличить отношение объема газа к площади поверхности занимаемым этим объемом. Из геометрии известно, что данное отношение минимально именно для шара. В сравнении с двухцилиндровым двигателем, выполненным по схеме квадрат (рабочий ход равен диаметру цилиндра) сферический двигатель имеет 1.12 раза меньшую площадь поверхности, а в сравнении с четырехцилиндровым двигателем, выполненным по схеме квадрат 1.26 раза меньшую площадь поверхности при равном объеме.From the laws of thermodynamics, it is known that heat loss occurs from the contact of the working fluid with the surface in proportion to its area, and the decrease in temperature depends on the volume of gas, to reduce losses it is necessary to increase the ratio of gas volume to surface area occupied by this volume. From geometry it is known that this ratio is minimal precisely for the ball. Compared with a two-cylinder engine made according to the square scheme (the stroke is equal to the diameter of the cylinder), the spherical engine has 1.12 times smaller surface area, and in comparison with a four-cylinder engine made according to the scheme, the square 1.26 times smaller surface area with an equal volume.
Также следует отметить, что кинематическая передаточная функция в окрестности положения соответствующего минимальному объему более пологая, чем у поршневых ДВС, что дает больше времени для горения ТВС улучшая полноту сгоранияIt should also be noted that the kinematic transfer function in the vicinity of the position corresponding to the minimum volume is more gentle than that of piston ICEs, which gives more time for combustion of fuel assemblies improving the completeness of combustion
Рассмотрим передаточную функцию силового механизма (Фиг. 9).Consider the transfer function of the power mechanism (Fig. 9).
На данном графике представлено сравнение передаточной функции механизма с синусоидой, графики крайне близки в отличие от кривошипно-шатунного механизма для которого подобный эффект может быть достигнут только при бесконечно длинном шатуне что на практике невозможно.This graph compares the transfer function of the mechanism with a sinusoid, the graphs are extremely close in contrast to the crank mechanism for which a similar effect can be achieved only with an infinitely long connecting rod, which is impossible in practice.
Обоснование ресурса двигателя.Justification of engine life.
Шаровой пояс и сектор не оказывают силового воздействия (не контактируют) на рабочие поверхности блока и головки блока, вследствие чего износ рабочей поверхности блока и головки блока происходит только за счет контакта с уплотнительными кольцами (системой уплотнений) (36). Кроме того больший габарит внутренней сферической камеры по сравнению с поршневым ДВС делает влияние зазоров менее заметным, позволяя таким образом увеличить интервал между капитальными ремонтами двигателя и уменьшить себестоимость и время ремонта двигателя.The ball belt and the sector do not exert a force effect (do not contact) on the working surfaces of the block and the head of the block, as a result of which the wear of the working surface of the block and the head of the block occurs only due to contact with the sealing rings (sealing system) (36). In addition, the larger size of the internal spherical chamber compared to the piston ICE makes the influence of the gaps less noticeable, thus allowing to increase the interval between engine overhauls and reduce the cost and time of engine repair.
Следует отметить, что контактные скорости v которые заметно влияют на ресурс для сферического двигателя больше, однако заметное снижение контактных напряжений q из-за отсутствия контакта между шаровым поясом, сектором и камерой компенсирует и превосходит влияние роста контактной скорости, так называемый qv фактор который для сферического двигателя оказывается меньше чем для роторного двигателя Ванкеля.It should be noted that the contact speeds v, which noticeably affect the life for a spherical motor, are greater, however, a noticeable decrease in contact stresses q due to the lack of contact between the ball zone, sector and camera compensates and exceeds the influence of the growth of the contact speed, the so-called qv factor which is for a spherical the motor is smaller than for the Wankel rotary engine.
Особенности силового механизма сферического двигателя.Features of the power mechanism of a spherical engine.
Для сферического двигателя этот механизм состоит из сектора, шарового пояса, коленчатого вала и механизма синхронизации. Особенностью данного механизма, отличающего его от двигателя Тауэра, является то, что угловая скорость валов двигателя отличается не только на величину пульсации угловой скорости как для классической карданной передачи (шарнира Гука), на которой основан двигатель Тауэра, а также на величину передаточного отношения равную 2, эта величина не зависит от параметров двигателя и является фиксированной для любых углов коленчатого вала (рабочих углов камер). За счет того что средняя угловая скорость сектора в 2 раза меньше чем коленчатого вала инерционная составляющая сектора в меньшей мере влияет на пульсацию крутящего момента.For a spherical engine, this mechanism consists of a sector, a ball belt, a crankshaft and a synchronization mechanism. A feature of this mechanism that distinguishes it from the Tower engine is that the angular velocity of the motor shafts differs not only in the amount of ripple in the angular velocity as for the classical cardan gear (Hooke joint) on which the Tower engine is based, but also in the gear ratio of 2 , this value does not depend on engine parameters and is fixed for any crankshaft angles (working angles of the chambers). Due to the fact that the average angular velocity of the sector is 2 times less than the crankshaft, the inertial component of the sector affects the ripple of the torque to a lesser extent.
Силовой механизм данного типа достаточно сложен в уравновешивании но может работать как с балансировочными валами так и без них. В отличие от КШМ не имеет возвратно поступательно движущихся масс, что существенно снижает инерционные нагрузки на подшипники коленчатого вала и сектора, а также является предпосылкой к большим максимальным (пиковым) оборотам двигателя и снижению потерь на преодоление инерционных сил возникающих в двигателе.The power mechanism of this type is quite difficult to balance but can work both with balancing shafts and without them. In contrast, the crankshaft does not have reciprocating moving masses, which significantly reduces the inertial loads on the bearings of the crankshaft and the sector, and is also a prerequisite for large maximum (peak) engine speeds and a decrease in the loss of overcoming inertial forces arising in the engine.
Кинематика силового механизма.Kinematics of the power mechanism.
Фиг. 8 Геометрическая модель силового механизма.FIG. 8 Geometric model of the power mechanism.
Ось ОВ совпадает с осью шейки коленчатого вала крепящегося к поясу, ось OW совпадает с осью коренной шейки коленчатого вала крепящегося к блоку двигателя. Ось OZ совпадает с осью шейки сектора крепящегося в головке блока. Ось ON представляет перпендикуляр к оси ОВ, ось ОМ представляет перпендикуляр к оси OZ. Оси ОМ и ON образуют плоскость П2 являющаяся плоскостью в которой лежит пояс, задавая таким образом его положение в пространстве. Следует отметить что когда оси ОВ и OZ совпадают оси ОМ и ON также совпадают плоскость П2 вырождается, а нормаль n(OBN) условно совпадает с плоскостью П2 и перпендикулярна прямой ZOB но это однозначно не определяет ее положение в пространстве, данное положение соответствует мертвому положению механизма. Плоскости П1 соответствует плоскость сектора проходящая через оси пальцев и ось сектора. Плоскости П3 соответствует плоскость пояса проходящая через оси пальцев и ось подшипника коленчатого вала. Плоскости П4 соответствует плоскость пояса проходящая перпендикулярно осям пальцев и содержит ось подшипника коленчатого вала. Угол В это угол между шейками коленчатого вала (постоянная величина) именно он определяет рабочий объем двигателя т.к. все остальные углы зависят от него. Угол А это угол между поясом и сектором (переменная величина) именно он определяет рабочий объем камеры при данном конкретном положении механизма.The axis OV coincides with the axis of the neck of the crankshaft attached to the belt, the axis OW coincides with the axis of the main neck of the crankshaft attached to the engine block. The axis OZ coincides with the axis of the neck of the sector attached to the head of the block. The ON axis represents the perpendicular to the axis OV, the axis OM represents the perpendicular to the axis OZ. The axes OM and ON form the plane P2, which is the plane in which the belt lies, thus setting its position in space. It should be noted that when the OB and OZ axes coincide, the OM and ON axes also coincide, the P2 plane degenerates, and the normal n (OBN) conditionally coincides with the P2 plane and is perpendicular to the ZOB straight line, but this does not uniquely determine its position in space, this position corresponds to the dead position of the mechanism . Plane P1 corresponds to the plane of the sector passing through the axis of the fingers and the axis of the sector. The plane P3 corresponds to the plane of the belt passing through the axis of the fingers and the axis of the crankshaft bearing. The plane P4 corresponds to the plane of the belt perpendicular to the axes of the fingers and contains the axis of the crankshaft bearing. Angle B is the angle between the necks of the crankshaft (constant value), it determines the engine displacement since all other angles depend on it. Angle A is the angle between the belt and the sector (variable), it determines the working volume of the camera at a given specific position of the mechanism.
Система смазки сферического двигателя.Spherical engine lubrication system.
Система смазки комбинированная под давлением и разбрызгиванием, существенным отличием от поршневых ДВС является то, что обьем картера двигателя остается постоянным и не зависит от положения коленчатого вала, это позволяет снизить гидродинамические потери на разбрызгивание масла, а также заполнять масляный поддон (33) до более высокого уровня масла без вреда для механизма. Отток масла из картера двигателя происходит за счет специального канала в поддон двигателя.The lubrication system combined under pressure and spraying, a significant difference from piston ICEs is that the volume of the crankcase remains constant and does not depend on the position of the crankshaft, this allows to reduce the hydrodynamic losses due to oil splashing, as well as fill the oil pan (33) to a higher oil level without harm to the mechanism. The outflow of oil from the crankcase occurs due to a special channel into the engine sump.
Важной особенностью системы смазки является то, что она существенно влияет на охлаждение двигателя, в гораздо большей мере чем в поршневом двигателе внутреннего сгорания, за счет того что силовой механизм, в том числе сильно темнонагруженный шаровой пояс и сектор охлаждаются только маслом. Поэтому требуется более производительный масляный насос (32) и масляный радиатор, так как масло расходуется не только на смазку, но и прокачивается через детали для их охлаждения. Из-за этого масло будет преждевременно стареть и интервалы его замены меньше, чем для поршневого ДВС.An important feature of the lubrication system is that it significantly affects engine cooling, to a much greater extent than in a reciprocating internal combustion engine, due to the fact that the power mechanism, including a heavily dark-loaded ball zone and the sector, is cooled only by oil. Therefore, a more efficient oil pump (32) and an oil cooler are required, since the oil is consumed not only for lubrication, but also pumped through the parts to cool them. Because of this, the oil will age prematurely and its replacement intervals are shorter than for a piston engine.
Система охлаждения сферического двигателя.Spherical engine cooling system.
Система охлаждения жидкостная одноконтурная замкнутая с принудительной циркуляцией жидкости по системе посредством помпы. Жидкость циркулирует в каналах системы охлаждения (50), выполненных в блоке и головке блока, головка блока имеет один отводящий патрубок системы охлаждения (вывод охлаждающей жидкости) (28), блок имеет два вывода охлаждающей жидкости, приемный патрубок системы охлаждения (27), через один вывод охлажденная в радиаторе жидкость поступает в двигатель нагревается и выходит через оставшиеся выводы обратно в радиатор.The single-circuit liquid cooling system is closed with forced circulation of fluid through the system through a pump. The fluid circulates in the channels of the cooling system (50), made in the block and the head of the block, the head of the block has one outlet pipe of the cooling system (coolant outlet) (28), the block has two coolant leads, the inlet of the cooling system (27), through One terminal cooled liquid in the radiator enters the engine, heats up and exits through the remaining terminals back to the radiator.
Так как высота двигателя существенно меньше поршневого двигателя влияние термосифонного охлаждения ослабевает, что обуславливает принудительную циркуляцию жидкости в системе.Since the height of the engine is significantly less than the piston engine, the influence of thermosiphon cooling weakens, which leads to forced circulation of the fluid in the system.
Герметизация рабочих камер и система уплотнения сферического двигателя (Фиг. 4 аксонометрическое изображение системы уплотнения).Sealing the working chambers and the sealing system of a spherical engine (Fig. 4 is a perspective view of a sealing system).
Герметизация рабочих камер происходит за счет системы уплотнительных колец установленных в секторе и поясе, и колпачков пояса (34), герметизирующих зазор в сочленении поясного пальца (35) с рабочей поверхностью блока и головки блока. Избытки масла с поверхности рабочих камер удаляются за счет маслосъемного кольца установленного на поясе и отводящего масло в картер двигателя.The sealing of the working chambers is due to the system of sealing rings installed in the sector and the belt, and the caps of the belt (34), which seal the gap in the joint of the waist pin (35) with the working surface of the block and block head. Excess oil from the surface of the working chambers is removed due to the oil scraper ring mounted on the belt and draining oil into the crankcase.
Рассмотрим работу двигателя по четырехтактному циклу Отто (Фиг. 10 Диаграмма газораспределения сферического двигателя).Consider the operation of the engine on a four-cycle Otto cycle (Fig. 10 Gas distribution diagram of a spherical engine).
Двигатель работает следующим образом. На Фиг. 1 изображено положение двигателя соответствующее ВМТ (конец такта сжатия для первой камеры, начало такта сжатия для второй камеры). Рабочее тело (смесь, состоящая из воздуха и паров топлива) сжато в камере сгорания (7), расположенной в секторе (3). Далее происходит его воспламенение посредством свечей зажигания (9). За счет горения ТВС давление в камере сгорания увеличивается, но т.к. двигатель находится в ВМТ (вектор сил давления газа лежит в одной плоскости с осью коленчатого вала) движущего момента не создается, а усилия от давления газов воспринимаются вкладышами подшипников скольжения коленчатого вала, пояса, сектора (13, 14, 15). Под воздействием сил инерции механизм проходит мертвое положение, начинается такт рабочего хода, вектор сил давления газа и ось коленчатого вала становятся неколлинеарными и возникает крутящий момент, передающийся на коленчатый вал (5), при этом объем первой камеры увеличивается, газ (продукты сгорания) расширяется и совершает полезную работу. Во второй камере протекает такт сжатия, объем камеры уменьшается, рабочее тело сжимается и вытесняется в камеру сгорания. После поворота коленчатого вала на 342 градуса (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора пересекает седло (43) выпускного клапана соединяя рабочую полость с атмосферой, выпускной клапан открывается и при помощи выпускного канала головки блока (39) начинается такт выпуска. Давление начинает резко падать, а газ устремляется в выпускной коллектор (29), после того как давление газа сравняется с атмосферным выпуск продолжится за счет уменьшения объема рабочей камеры и вытеснения продуктов сгорания в выпускной канал головки блока. По прошествии еще 18 градусов механизм снова придет в ВМТ при этом в первой камере продолжается такт выпуска, во второй камере происходит воспламенение сжатой ТВС. Спустя еще 309 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) противоположный край сектора пересекает седло 43 выпускного клапана, газообмен заканчивается, и такт выпуска можно считать на этом завершенным. Далее через 33 градуса (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора второй камеры пересекает седло выпускного клапана и начинается такт выпуска второй камеры, особенностью является то, что выпускной клапан на протяжении этого угла остается открытым благодаря тому что один такт выпуска следует сразу за другим. Через 69 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора первой камеры пересекает седло впускного клапана, начинается такт впуска. Свежий заряд ТВС через впускной канал головки блока 40 заполняет рабочую камеру двигателя, т.к. угол между поясом и сектором постоянно растет в рабочей камере поддерживается разряжение, которое и засасывает свежий заряд. Спустя 258 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора второй камеры пересекает седло выпускного клапана, такт выпуска во второй камере заканчивается, выпускной клапан закрывается. Спустя 69 градусов (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора первой камеры пересекает седло впускного клапана изолируя рабочую полость от впускного канала головки блока, газообмен прекращается, такт впуска первой камеры завершен, начинается такт сжатия в первой камере. Далее через 33 градуса (угол может изменяться в зависимости от компоновки конкретного двигателя) край сектора второй камеры пересекает седло впускного клапана и начинается такт впуска второй камеры, особенностью является то что впускной клапан на протяжении этого угла остается открытым благодаря тому что один такт впуска следует сразу за другим. Спустя еще 309 градуса такт сжатия завершается механизм занимает положение ВМТ и цикл первой камеры повторяется. По прошествии еще 18 градусов край сектора второй камеры перекрывает впускной клапан, начинается такт сжатия, цикл второй камеры повторяется.The engine operates as follows. In FIG. 1 shows the position of the engine corresponding to TDC (end of compression stroke for the first camera, start of compression stroke for the second camera). The working fluid (a mixture consisting of air and fuel vapor) is compressed in a combustion chamber (7) located in sector (3). Then it ignites by means of spark plugs (9). Due to the combustion of fuel assemblies, the pressure in the combustion chamber increases, but because the engine is in TDC (the vector of gas pressure forces lies in the same plane with the axis of the crankshaft) no torque is generated, and the forces from gas pressure are perceived by the bearings of the sliding bearings of the crankshaft, belt, sector (13, 14, 15). Under the influence of inertia forces, the mechanism goes through a dead position, the stroke of the working stroke begins, the vector of gas pressure forces and the axis of the crankshaft become noncollinear and there is a torque transmitted to the crankshaft (5), while the volume of the first chamber increases, the gas (combustion products) expands and does a useful job. In the second chamber, a compression cycle proceeds, the chamber volume decreases, the working fluid is compressed and displaced into the combustion chamber. After the crankshaft rotates by 342 degrees (the angle may vary depending on the layout of a particular engine), the sector edge intersects the outlet valve seat (43) connecting the working cavity with the atmosphere, the exhaust valve opens and the exhaust cycle begins using the outlet channel of the block head (39). The pressure begins to drop sharply, and the gas rushes into the exhaust manifold (29), after the gas pressure equals the atmospheric outlet, it continues due to a decrease in the volume of the working chamber and the displacement of combustion products into the exhaust channel of the block head. After another 18 degrees, the mechanism will again come to TDC, while the release cycle continues in the first chamber, and the compressed fuel assembly ignites in the second chamber. After another 309 degrees (the angle may vary depending on the layout of a particular engine), the opposite edge of the sector intersects the
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113732A RU2701651C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Spherical internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113732A RU2701651C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Spherical internal combustion engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2701651C1 true RU2701651C1 (en) | 2019-09-30 |
Family
ID=68170571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019113732A RU2701651C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Spherical internal combustion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2701651C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5404849A (en) * | 1991-12-11 | 1995-04-11 | Fenton; John W. | Spherical engine |
WO2003067033A1 (en) * | 2002-02-06 | 2003-08-14 | Huettlin Herbert | Swiveling piston engine |
RU2227211C2 (en) * | 2001-07-11 | 2004-04-20 | Сергей Анатольевич Цикра | Rotary spherical internal combustion engine |
US20070209632A1 (en) * | 2004-04-06 | 2007-09-13 | Peraves Ag | Rotary-piston engine and vehicle comprising an engine of this type |
-
2019
- 2019-05-07 RU RU2019113732A patent/RU2701651C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5404849A (en) * | 1991-12-11 | 1995-04-11 | Fenton; John W. | Spherical engine |
RU2227211C2 (en) * | 2001-07-11 | 2004-04-20 | Сергей Анатольевич Цикра | Rotary spherical internal combustion engine |
WO2003067033A1 (en) * | 2002-02-06 | 2003-08-14 | Huettlin Herbert | Swiveling piston engine |
US20070209632A1 (en) * | 2004-04-06 | 2007-09-13 | Peraves Ag | Rotary-piston engine and vehicle comprising an engine of this type |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5535715A (en) | Geared reciprocating piston engine with spherical rotary valve | |
CA1248028A (en) | Reciprocating rotary piston thermal engine with a spherical chamber | |
US20100000492A1 (en) | Modified revolving piston internal combustion engine | |
US6976467B2 (en) | Reciprocating internal combustion engine | |
RU2500907C2 (en) | Internal combustion engine | |
RU2701651C1 (en) | Spherical internal combustion engine | |
JPS6147966B2 (en) | ||
RU2638117C2 (en) | Engine with pivoting multiangular piston | |
GB2511781A (en) | Improved opposed piston engine | |
US7621254B2 (en) | Internal combustion engine with toroidal cylinders | |
EP0137621A1 (en) | Improvements in or relating to engines | |
US3301236A (en) | Rotary valve internal combustion engine | |
US4677950A (en) | Rotary cam fluid working apparatus | |
RU2374454C2 (en) | Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle | |
US4261303A (en) | An internal combustion engine | |
US7357108B2 (en) | Valve-operating mechanism | |
WO2018149349A1 (en) | Swing-piston working machine | |
MX2008015124A (en) | Two-stroke internal combustion chamber with two pistons per cylinder. | |
RU2659602C1 (en) | Vaned internal combustion engine | |
US20060219193A1 (en) | Optimized linear engine | |
Hurley et al. | The Rotating Combustion Engine | |
AU610054B2 (en) | Rotating cylinder engine | |
US4029059A (en) | Oscillating piston rotary machine | |
RU2198307C2 (en) | Internal combustion rotary piston engine | |
US3156220A (en) | Rotary internal combustion engine |