WO2015122795A1 - Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус, силовой вал и камеру сгорания топливо-воздушной смеси. Силовой вал расположен аксиально продольной оси симметрии корпуса и опирается на подшипники, установленные в торцовых крышках корпуса. К внутренней поверхности корпуса прикреплено выполненное заодно устройство впуска топливо-воздушной смеси и выпуска отработавших газов с впускным и выпускным клапанами. Камера сгорания смеси выполнена в виде рукава из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала. Рукав открытым концом прикреплен к устройству впуска и выпуска, а сплющенным и заглушённым концом прикреплен к силовому валу. Вал снабжен возвратной пружиной, одним концом прикрепленной к валу, а другим к корпусу двигателя. Двигатель снабжен устройством нагнетания в корпус и устройством вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала двигателя с помощью муфт. Изобретение направлено на упрощение конструкции камер сгорания и расширение функциональных возможностей двигателя.

Description

Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в качестве приводного двигателя в таких отраслях, как автомобилестроение, сельскохозяйственное машиностроение, дорожно- строительное машиностроение, в бытовой технике.

Известен беспоршневой двигатель внешнего сгорания по патенту RU 2491438. Сущность известного двигателя заключается в том, что в качестве рабочих камер применяют мембранно-диафрагменные сильфоны поворотного типа. Сильфоны представляют собой набор радиально ориентированных продолговатых жестких поворотных диафрагм и располагаемых между ними газонепроницаемых эластичных мембран с центральными отверстиями в них для прохода рабочего газа внутрь герметизированных сильфонных сборок. В качестве рабочего газа используют продукты сгорания, поступающие из внешней камеры, в которую подают сжатый воздух и топливо. Возвратно-поворотное движение сильфонов преобразуется в результирующее вращательное движение выходного вала двигателя за счет применения обгонных муфт.

Недостатком известного двигателя является применение в его конструкции внешней камеры сгорания, что усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его вес, ограничивает область использования двигателя. Применение в конструкции двигателя значительного количества сильфонных сборок также усложняет конструкцию и увеличивает вес двигателя.

Известен беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по патенту RU 2300649, принятый в качестве прототипа.

Известный двигатель содержит установленный на валу ротор с радиальными пазами, в которых с возможностью возвратно- поступательного движения размещены лопасти, камеры сгорания, статор, выполняющий роль корпуса двигателя. Статор содержит коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещены кольцевые элементы с волнообразными поверхностями, образующими гребни и впадины. Волнообразные поверхности обращены друг к другу, эквидистантны и совместно с наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра и поверхностью ротора образуют рабочие камеры. В гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы. Камеры сгорания выполнены в виде полых цилиндров, разделенных перегородками на две секции, радиально установленных с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями. В каждой секции камеры сгорания выполнены впускное и выпускное окна. В кольцевых элементах с волнообразными поверхностями в зоне впускных и выпускных окон выполнены соответственно нагнетательные и выпускные отверстия. На роторе укреплены сектора, входящие в зацепление с передаточными элементами, находящимися в контакте с камерой сгорания, для её поворота на 180 градусов.

В секциях камер сгорания установлены свечи зажигания, с помощью которых воспламеняется топливо-воздушная смесь.

Наличие в конструкции двигателя свечей зажигания обуславливает оборудование двигателя системой зажигания топливо-воздушной смеси и применение в качестве топлива бензина, бензоло-бензиновой смеси, лигроина или спирта. При этом для прототипа весьма проблематично использование в качестве топлива керосина, дизельного топлива, биодизельного топлива, сырой нефти, так как для применения этих топ л ив необходимо повышение степени сжатия топливо -воз душных смесей, а в конструкции прототипа не предусмотрен механизм повышения степени сжатия для обеспечения перехода работы двигателя с легких марок топлива на тяжелые.

Это является существенным недостатком прототипа, сужающим его функциональные возможности. Другим недостатком известного двигателя является сложность его конструкции, в частности камер сгорания.

Задачей и техническим результатом предложенных вариантов изобретения, объединенных общим изобретательским замыслом, является:

- упрощение конструкции камер сгорания и, как следствие, конструкции двигателя;

- расширение функциональных возможностей беспоршневого двигателя внутреннего сгорания.

Технический результат достигается тем, что в беспоршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, силовой вал, камеру сгорания топливо-воздушной смеси, согласно первого варианта, корпус выполнен цилиндрическим, силовой вал расположен аксиально продольной оси симметрии корпуса и опирается на подшипники, установленные в торцовых крышках корпуса, к внутренней поверхности корпуса прикреплено выполненное заодно устройство впуска топливо- воздушной смеси и выпуска отработавших газов с впускным и выпускным клапанами, камера сгорания смеси выполнена в виде рукава из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала, рукав открытым концом прикреплен к устройству впуска и выпуска, а другим, сплющенным и заглушённым концом прикреплен к силовому валу, вал снабжен возвратной пружиной, одним концом прикрепленной к валу, а другим к корпусу двигателя, двигатель снабжен устройством нагнетания в корпус и устройством вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала двигателя с помощью муфт.

В качестве материала для рукава служит сплав на основе вольфрама. Возвратная пружина выполнена в виде в виде спиральной ленты. Двигатель снабжен датчиком положения вала.

Технический результат так же достигается тем, что в беспоршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, силовой вал, камеры сгорания топливо-воздушной смеси, согласно второго варианта, корпус выполнен цилиндрическим, силовой вал расположен аксиально продольной оси симметрии корпуса и опирается на подшипники, установленные в торцовых крышках корпуса, к внутренней поверхности корпуса прикреплены выполненные заодно два устройства впуска топливо-воздушной смеси и выпуска отработавших газов с впускными и выпускными клапанами, двигатель снабжен двумя камерами сгорания смеси, выполненными в виде рукавов из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала, рукава открытыми концами прикреплены к устройствам впуска и выпуска, а другими, сплющенными и заглушёнными концами прикреплены к силовому валу, двигатель снабжен устройством нагнетания в корпус и устройством вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала двигателя с помощью муфт. Выполненные заодно устройства влуска и выпуска расположены друг относительно друга под углом в пределах 179-181 градусов.

В качестве материала для рукавов служит сплав на основе вольфрама. Двигатель снабжен датчиком положения вала.

Выполнение камер сгорания топливо-воздушной смеси в виде одного рукава или двух рукавов максимально упрощает конструкцию камер по сравнению с прототипом и первым аналогом. Это в свою очередь позволяет упростить и конструкции двигателей по обоим вариантам, что снижает трудоёмкость их изготовления и стоимость.

Выполнение рукавов по обоим вариантам изобретения из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала и прикрепление их открытыми концами к выполненным заодно устройствам впуска топливо-воздушной смеси и выпуска отработавших газов, а другими, сплющенными и заглушёнными концами, к валу, обеспечивает сжатие топливо-воздушной смеси в камере сгорания при наматывании рукава на вал при вращении его стартером, а также в результате действия инерционных сил при работе двигателя во втором варианте, и воздействия на вал возвратной пружины в первом варианте, и дальнейшее самовоспламенение смеси, выхлоп продуктов сгорания при обратном вращении вала. При этом сжатие топливо-воздушной смеси с любой маркой топлива происходит до степени её самовоспламенения за счет необходимого для этого уменьшения объёма камеры, достигаемого вращением вала и наматыванием на него рукава, т.е. происходит автоматическое достижение необходимой степени сжатия для самовоспламенения смеси при использовании любой марки топлива.

Таким образом, заявленный двигатель является многотопливным. Для обеспечения его работы можно использовать топливо бензиновой группы, спирты, дизельное и биодизельное топливо, сырую нефть, газ. Этим достигается расширение функциональных возможностей беспоршневого двигателя внутреннего сгорания.

Выполнение возвратной пружины в виде спиральной ленты позволяет быстро свернуть рукав и развить достаточное усилие для сжатия в рукаве топливно-воздушной смеси, что также позволяет упростить конструкцию двигателя.

Снабжение двигателя устройством нагнетания в корпус и устройством вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала с помощью муфт, обеспечивает заданный температурный режим работы двигателя, в том числе и температурный режим камер сгорания.

Применение в качестве материала для рукавов сплава на основе вольфрама обеспечивает прочность и стойкость рукавов, особенно на линиях их перегиба, в условиях высокой температуры сгорания топливо- воздушной смеси.

Снабжение двигателя датчиком положения вала обеспечивает своевременность впуска топливо-воздушной смеси в камеры сгорания и удаления из них продуктов горения.

Сущность предложенных вариантов изобретения поясняется схемами, на которых изображены:

На фиг.1 - изображен общий вид двигателя в разрезе, выполненный по первому варианту.

На фиг.2 - изображен общий вид двигателя в разрезе, выполненный по второму варианту.

На фиг. 3 показан разрез А-А на фиг. 2 - выпуск отработавших газов из рукава 8 и начало впуска топливо-воздушной смеси в рукав 19. На фиг. 4 изображен разрез А-А на фиг. 2 - сжатие смеси в рукаве 8.

На фиг.5 показан разрез А-А на фиг. 2 - выпуск отработавших газов из рукава 19 и начало впуска топливо-воздушной смеси в рукав 8.

На фиг.6 показан разрез А-А на фиг. 2 - начало сжатия топливо- воздушной смеси в рукаве 19.

Заявленный беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по первому варианту выполнения содержит цилиндрический корпус 1, силовой вал 2, расположенный аксиально продольной оси симметрии корпуса 1 в подшипниках 3, установленных в торцовых крышках 4 корпуса 1.

К внутренней поверхности корпуса 1 прикреплено выполненное заодно устройство 5 впуска топливо-воздушной смеси и выпуска

отработавших газов с впускным 6 и выпускным 7 клапанами. Камера сгорания смеси выполнена в виде рукава 8 из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала, например из сплава на основе вольфрама

(используют сплавы высокой плотности, прочности и пластичности с содержанием вольфрама в пределах 90-95 %, например гетерогенные сплавы, в которых кристаллическая фаза W сцементирована связкой из сплава Cu-Ni и Fe-Ni).

Рукав 8 открытым концом прикреплен к устройству 5 впуска и выпуска, а другим, сплющенным и заглушённым концом прикреплен к силовому валу 2. Вал 2 снабжен возвратной пружиной 9, выполненной в виде спиральной ленты, одним концом прикрепленной к валу 2, а другим к корпусу 1 двигателя. Двигатель также снабжен устройством 10 нагнетания в корпус и устройством 1 1 вытягивания из корпуса 1 воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала 2 двигателя с помощью муфт 12 и 13. Двигатель снабжен датчиком положения вала (на схеме не показан).

Двигатель по первому варианту работает следующим образом.

Через канал 14 в двигатель подаётся топливно-воздушная смесь в устройство 5, которая через впускной клапан 6 из устройства 5 передаётся в рукав 8. После заполнения рукава 8 топливно-воздушной смесью впускной клапан б закрывается. Пуск двигателя осуществляется стартером (на схеме не показан). Стартер начинает вращать вал 2, наматывая на него рукав 8, в результате чего топливно-воздушная смесь внутри рукава 8 сжимается. Возвратная спиральная пружина 9 при этом раскручивается. Сжатие топливно-воздушной смеси приводит к сильному повышению давления смеси внутри объёма камеры, образованной рукавом 8 и, в результате адиабатического процесса, к повышению температуры до значения самовоспламенения смеси внутри камеры (рукава) 8. Вал 2 двигателя в результате воздействия давления на стенки камеры 8 продуктов сгорания начинает вращаться в обратном направлении, что приводит к автоматическому отключению муфты стартера и разъединению валов стартера и двигателя. Возвратная спиральная пружина 9 начинает закручиваться.

Когда рукав 8 будет полностью размотан валом 2, открывается выпускной клапан 7 выпуска отработавших газов. Через канал 15 отработавшие газы выходят из гибкого термостойкого рукава 8. Вал 2 продолжает вращаться по инерции и наматывает на себя рукав 8 с обратной по диаметру стороны вала. При этом возвратная спиральная пружина 9 продолжает закручиваться. Когда величина закручивания пружины 9 достигает максимальной величины, то она начнет раскручиваться и заставляет вращаться вал 2 в обратную сторону. Вал 2 начинает разматывать рукав 8. В это время закрывается выпускной клапан 7 и одновременно открывается впускной клапан 6. Топливно-воздушная смесь поступает внутрь гибкого термостойкого рукава 8. Вал 2 продолжает своё вращение по инерции. Рабочий цикл повторяется. Остановка двигателя осуществляется путём перекрытия подачи топлива к инжектору.

Заявленный беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по второму варианту выполнения содержит корпус 1, силовой вал 2, расположенный аксиально продольной оси симметрии корпуса 1 в подшипниках 3, установленных в торцевых крышках 4 корпуса 1. К внутренней поверхности корпуса 1 прикреплены выполненные заодно устройства 5 и 16 впуска топливо-воздушной смеси и выпуска отработавших газов с впускными клапанами 6 и 17 и выпускными клапанами 7 и 18. Камеры сгорания выполнены в виде рукавов 8 и 19 из гибкого огнестойкого и термостойкого материала, например из сплава на основе вольфрама (используют сплавы высокой плотности, прочности и пластичности с содержанием вольфрама в пределах 90-95 %, например гетерогенные сплавы, в которых кристаллическая фаза W сцементирована связкой из сплава Cu-Ni и Fe-Ni). Рукава 8 и 19 открытыми концами прикреплены к устройствам 5 и 16 впуска и выпуска, а другими сплющенными и заглушёнными концами прикреплены к силовому валу 2. Двигатель также снабжен устройством 10 нагнетания в корпус и устройством 1 1 вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса 1 на противоположных концах вала 2 двигателя с помощью муфт 12 и 13. К валу 2 жестко присоединен датчик углового положения вала (на схеме не обозначен). Топливо-воздушная смесь подается в устройства 5 и 16 по каналам 14 и 20 от инжекторов (на схеме не показаны), отработавшие газы выходят из упомянутых устройств через каналы 15 и 21.

Двигатель при варианте использования двух термостойких рукавов работает следующим образом.

Через канал 14 в двигатель подается топливо-воздушная смесь в устройство 5, которая через впускной клапан 6 из устройства 5 передается в рукав 8. После заполнения рукава 8 топливо-воздушной смесью впускной клапан 6 закрывается (фиг. 3). Пуск двигателя осуществляется стартером (на схеме не показан). Стартер начинает вращать вал 2, наматывая на него рукава 8 и 19, в результате чего топливо-воздушная смесь в рукаве 8 сжимается (фиг. 4). Сжатие топливо-воздушной смеси приводит к сильному повышению давления смеси внутри объёма камеры, образованной рукавом 8 и, в результате адиабатического процесса, к повышению температуры до значения самовоспламенения смеси внутри камеры (рукава) 8. Вал 2 двигателя в результате воздействия давления на стенки камеры 8 продуктов сгорания начинает вращаться в обратном направлении, что приводит к автоматическому отключению муфты стартера и разъединению валов стартера и двигателя.

Когда рукава будут полностью размотаны через впускной канал 20 и впускной клапан 17 начинается подача топливо-воздушной смеси в устройство 16 и в рукав 19. Открывается выпускной клапан 7 и отработавшие газы выходят из рукава 8 (фиг. 5). Топливо-воздушная смесь в рукаве 19 при вращении вала 2 сжимается (фиг. 6) и самовоспламеняется, что приводит к вращению вала 2 в обратную сторону и разматыванию рукавов 8 и 19. Когда рукава полностью размотаны открывается выпускной клапан 18 выпуска отработавших газов. Через канал 21 отработавшие газы выходят из гибкого термостойкого рукава 19. Топливо-воздушная смесь поступает в рукав 8. После заполнения рукава 8 топливо-воздушной смесью впускной клапан 6 закрывается (фиг.

3).

Вал 2 продолжает своё вращение по инерции. Рабочий цикл повторяется. Остановка двигателя осуществляется путем перекрытия подачи топлива к инжектору.

По обоим вариантам мощность двигателя, снимаемая с носка вала двигателя при его возвратно-вращательном движении, используется для приведения в действие исполнительных механизмов, при этом между валами двигателя и исполнительного механизма устанавливается устройство, преобразующее возвратно-вращательное движение вала двигателя во вращательное движение вала исполнительных механизмов, например система обгонных муфт.

При работе двигателя по обоим вариантам его вал будет циклически менять направление вращения, это означает, что нельзя поставить устройство 10 нагнетания воздуха и устройство 1 1 вытягивания воздуха непосредственно на вал 2. Поэтому устройство 10 нагнетания воздуха соединено с валом 2 с помощью муфты 12. Муфта 12 при вращении вала 2 в какую-либо определенную сторону передаёт вращение на устройство

10 нагнетания воздуха, а при вращении вала 2 в обратную сторону муфта 12 разъединяет вал 2 от устройства 10 нагнетания воздуха. Из-за этого устройство 10 нагнетания воздуха продолжает вращаться по инерции до тех пор, пока вал 2 опять не поменяет направление вращения. Устройство

11 вытягивания воздуха работает по уже приведенной схеме. Когда муфта

12 разъединяет вал 2 и устройство 10 нагнетания воздуха, в это время муфта 13 соединяет вал 2 с устройством 11 вытягивания воздуха, которое начинает вращаться. Тем самым достигается следующий эффект: при движении вала в одну сторону работает устройство 10 нагнетания воздуха, а устройство 11 вытягивания воздуха выключено. При движении вала в обратную сторону происходит обратный процесс, устройство 10 нагнетания воздуха выключается, а устройство 1 1 вытягивания воздуха включается в работу.

Claims

Ф О Р М У Л А

1. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, силовой вал, камеру сгорания топливо-воздушной смеси, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим, силовой вал расположен аксиально продольной оси симметрии корпуса и опирается на подшипники, установленные в торцовых крышках корпуса, к внутренней поверхности корпуса прикреплено выполненное заодно устройство впуска топливо-воздушной смеси и выпуска отработавших газов с впускным и выпускным клапанами, камера сгорания смеси выполнена в виде рукава из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала, рукав открытым концом прикреплен к устройству впуска и выпуска, а другим, сплющенным и заглушённым концом прикреплен к силовому валу, вал снабжен возвратной пружиной, одним концом прикрепленной к валу, а другим к корпусу двигателя, двигатель снабжен устройством нагнетания в корпус и устройством вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала двигателя с помощью муфт.

2. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала для рукава служит сплав на основе вольфрама.

3. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что возвратная пружина выполнена в виде спиральной ленты.

4. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1 , отличающийся тем, что двигатель снабжен датчиком положения вала.

5. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, силовой вал, камеры сгорания топливо-воздушной смеси, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим, силовой вал расположен аксиально продольной оси симметрии корпуса и опирается на подшипники, установленные в торцовых крышках корпуса, к внутренней поверхности корпуса прикреплены выполненные заодно два устройства впуска топливо-воздушной смеси и выпуска отработавших газов с впускными и выпускными клапанами, двигатель снабжен двумя камерами сгорания смеси, выполненными в виде рукавов из гибкого огнестойкого и теплостойкого материала, рукава открытыми концами прикреплены к устройствам впуска и выпуска, а другими, сплющенными и заглушёнными концами прикреплены к силовому валу, двигатель снабжен устройством нагнетания в корпус и устройством вытягивания из корпуса воздуха, установленными внутри корпуса на противоположных концах вала двигателя с помощью муфт.

6. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 5, отличающийся тем, что выполненные заодно устройства впуска и выпуска расположены друг относительно друга под углом в пределах 179-181 градусов.

7. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 5, отличающийся тем, что в качестве материала для рукавов служит сплав на основе вольфрама.

8. Беспоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 5, отличающийся тем, что двигатель снабжен датчиком положения вала.