РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

Известен роторно-поршневой двигатель (РПД) (а.с. СССР N 652337, кл. F 02 B 55/00, 1977) с трохоидальной рабочей камерой, содержащий установленный на эксцентрике выходного вала ротор-поршень и подшипник качения, расположенный между эксцентриком и ротором-поршнем, причем ротор-поршень и эксцентрик снабжены дополнительными зубчатыми венцами. Подшипник выполнен многорядным с концентрично расположенными в промежуточном кольце телами качения. На кольце установлены шестерни-сателлиты, сопряженные с зубчатыми венцами ротора-поршня и эксцентрика. В указанном РПД длительность фазы расширения, происходящая от момента достижения минимального объема до открытия выпускного окна, составляет 90^о угла поворота ротора, что мало для полного сгорания рабочей смеси и активного рабочего хода. Это связано с формой рабочей камеры, конструктивные особенности которой не позволяют оптимизировать характеристики двигателя для различных режимов работы, т.к. положение окон впуска-выпуска определяется из условия создания максимальных и минимальных объемов фаз газораспределения.

Известен роторный двигатель (а. с. СССР N 1312189, кл. F 01 C 1/00, 1985), содержащий корпус с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии и с уплотнительными элементами в его вершинах, установленный на эксцентрике вала, и неподвижную синхронизирующую шестерню, размещенную в корпусе на подшипнике и сопряженную с шестерней внутреннего зацепления ротора. Диаметр неподвижной синхронизирующей шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления. Синхронизирующая шестерня установлена соосно валу. Эксцентриситет вала составляет 0,5 диаметра (d) неподвижной шестерни. Уплотнительные элементы выполнены закругленными (роликового типа) с радиусом R_o и установлены на расстоянии l от центра ротора. Рабочая поверхность корпуса выполнена по кривой, описанной в полярных координатах, с центром О, размещенным в центре симметрии ротора, и с началом отсчета угловой координаты ϕ от малой оси симметрии ротора в направлении вращения вала по зависимости:
r= ,
ϕ = θ-arcsin , где R₁ = l - d cos θ; 0^o ≅θ≅ 360^o.

В указанном роторном двигателе взаимное соединение ротора с валом отбора мощности за счет эксцентрика и с корпусом с помощью зубчатой передачи определяет пространственное положение ротора. При вращении вала вершины ротора описывают кривую, повторяя контур рабочей поверхности корпуса, что создает условия для обеспечения постоянства уплотнения между корпусом и ротором уплотнительными элементами. Однако для надежной работы уплотнения уплотнительные элементы роликового типа должны иметь большой радиус, и это обстоятельство не дает возможности выполнения окон впуска-выпуска в стенках корпуса, поэтому для впуска-выпуска рабочего тела используется клапанный механизм, чтобы исключить перетекание из одной рабочей камеры в другую при перемещении вершины ротора над окном, что приводит к непроизводительным потерям мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому двигателю является роторный двигатель, содержащий корпус с трохоидальной рабочей поверхностью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу, шестеренную синхронизирующую передачу с передаточным отношением 1 : 2. Эксцентриситет эксцентрика вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни корпуса, а диаметр шестерни внутреннего зацепления ротора равен двум диаметрам неподвижной шестерни. Каналы, через которые осуществляется газообмен, находятся в корпусе и управляются синхронно с рабочим циклом вращающегося ротора или через клапаны. Рассматриваются четыре варианта положения каналов (окон).

Первый вариант - клапанный. Окна выполнены в стенке корпуса и расположены симметрично относительно оси симметрии корпуса в камере большого объема. Этот вариант наиболее эффективный из рассматриваемых с точки зрения максимальной длительности фазы рабочего хода, однако, имеет весьма короткую фазу впуска, что требует турбонаддува для качественной продувки и заполнения рабочей полости. К недостаткам нужно отнести потери мощности для привода клапанной системы, а также непроизводительные потери рабочей смеси в клапанных каналах.

Второй вариант тоже клапанный. Окна находятся на торцовой поверхности корпуса, окно впуска находится в камере меньшего объема и управляется клапаном, окно выпуска - в камере большого объема. Оба окна несколько смещены по ходу вращения ротора от оси симметрии корпуса. При открытии клапана происходят продувка и заполнение камеры большого объема, а также дозарядка камеры меньшего объема (фаза сжатия). Рабочий ход в этом варианте существенно меньше, чем в первом варианте, как и фаза впуска. Очень короткая фаза впуска требует больших давлений на входе, чтобы компенсировать противодавление в камерах и осуществить качественную зарядку. Недостатки этого варианта аналогичны предыдущему, и, кроме того, укороченные фазы рабочего хода и впуска существенно снижают эффективность.

Третий вариант - клапанный. Окна находятся на стенке корпуса в камере большего объема рядом друг с другом и незначительно сдвинуты в сторону вращения ротора. В камере меньшего объема на торцевой части корпуса выполнена продувочная щель, несколько сдвинутая от оси симметрии в сторону вращения ротора. При открытии выпускного окна происходит вытеснение отработанного рабочего тела из полости за счет давления газов, а также за счет перетекания рабочей смеси через продувочную щель из камеры сжатия до открытия впускного окна. При открытии впускного окна щель закрывается и продувка камеры и наполнение смесью идет за счет впуска. После незначительного поворота ротора выпускное окно закрывается и происходит чистый впуск, фаза которого тоже незначительна. Затем закрывается клапаном впускное окно и происходит процесс сжатия. Фаза рабочего хода равна примерно как и во втором варианте; фазы впуска, выпуска короткие, и довольно длительный цикл сжатия. Сдвиг окон в данном варианте вынужденный, так как продувочную щель целесообразно располагать, несколько сдвинув от оси симметрии для достижения достаточного давления в камере сжатия и обеспечения хорошей продувки в начальный момент выпуска. Сдвиг должен быть незначительный, т.к. при его увеличении существенно увеличиваются потери рабочей смеси. Недостатки те же, что и у вышерассмотренных вариантов.

Четвертый вариант - бесклапанный. Окна расположены на торцовой части корпуса в камере большого объема рядом друг с другом и симметрично относительно оси симметрии корпуса. Фаза рабочего хода - наименьшая из рассматриваемых вариантов, а фазы впуска-выпуска практически перекрыты между собой, что приводит к большим потерям рабочего тела. Короткая фаза рабочего хода и существенные потери рабочей смеси приводят к низкой эффективности этого варианта двигателя, хотя есть некоторые преимущества в связи с отсутствием клапанного механизма.

Цель изобретения - повышение эффективности работы двигателя. Указанная цель достигается тем, что в роторном двигателе, содержащем корпус с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии и с уплотнительными элементами в его вершинах, установленный на эксцентриковом валу, и неподвижную синхронизирующую шестерню, размещенную в корпусе на подшипнике вала и сопряженную с шестерней внутреннего зацепления ротора. Диаметр неподвижной синхронизирующей шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления, а синхронизирующая шестерня установлена соосно валу. Эксцентриситет вала составляет 0,5 диаметра неподвижной шестерни. Уплотнительные элементы выполнены в виде пластин, а рабочая поверхность корпуса выполнена по конхоиде окружности. Окна впуска-выпуска размещены на боковой стенке корпуса и смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения вала, причем выпускные окна смещены на 35-40^о, а впускные окна - на 90^о.

На чертеже приведена схема роторного двигателя.

Внутри корпуса 1, рабочая поверхность которого выполнена по конхоиде окружности, установлены двухвершинный ротор 2, имеющий большую и малую оси симметрии с уплотнительными элементами 3 в его вершинах, и неподвижная синхронизирующая шестерня внешнего зацепления 4. Эксцентриковый вал 5 установлен внутри корпуса 1 с эксцентриситетом, равным радиусу окружности конхоиды. Внутри ротора 2 установлена шестерня внутреннего зацепления 6. Передаточное отношение шестерен 4 и 6 равно 2. В корпусе 1 имеются отверстия А и Б, служащие для впуска (окно Б) и выпуска (окно А), рабочего тела и установки свечи зажигания. Причем, окна впуска-выпуска выполнены в стенке камеры большого объема корпуса 1 и смещены от оси симметрии корпуса 1 в направлении вращения вала. Это существенно изменило фазы газораспределения. Фазы рабочего процесса сдвинуты одна относительно другой на 180^о и близки к фазам газораспределения двухтактного двигателя, т.к. процессы выпуска и наполнения происходят в большей части совместно.

В процессе работы двигателя вращательное движение ротора 2 создается за счет обкатывания закрепленной в роторе 2 шестерни внутреннего зацепления 6 вокруг неподвижно установленной в корпусе 1 двигателя шестерни внешнего зацепления 4. Центр ротора 2 вращается вокруг центра эксцентрикового вала 5 по окружности конхоиды, а вершины ротора 2 также описывают конхоиду. В этом случае центробежные силы воспринимаются зубчатой парой. Поскольку корпус 1 имеет конхоидный профиль, повторяя конхоиду, описываемую вершинами ротора, то создаются условия для обеспечения постоянства уплотнения между ротором 2 и корпусом 1. Протекание отдельных процессов в полостях роторного двигателя показано на чертеже. Начало и конец процесса определяются положением конца вектора, соединенного с вершиной ротора 2, вращающегося вокруг вала 5 и проходящего через характерные точки, определяющие начало и конец открытия краем ротора 2 окон А и Б в корпусе 1, а также начало сгорания, т.е. появление искры зажигания, и достижение минимального объема камеры сгорания (верхней мертвой точки - ВМТ). Вращение ротора 2 принято против часовой стрелки, а за начало отсчета - положение ротора 2 при минимальном объеме.

Сгорание. Процесс сгорания в роторном двигателе начинается за 10-15^о угла поворота ротора 2 до достижения минимального объема камеры сгорания. В этот момент камера сгорания имеет форму узкой щели с двумя клинообразными окончаниями, причем клинообразное окончание у правой вершины ротора 2 будет по объему несколько больше, чем у левой. Выемка в грани ротора 2 несимметрична и незначительно сдвинута в сторону левой вершины. Это создает сдвиг равнодействующей всех сил, относительно перпендикуляра ротора, действующих на грань, против часовой стрелки, в связи с чем возникает продольная составляющая, направленная в сторону движения ротора 2, что существенно улучшает условия работы ротора 2 при прохождении ВМТ. Свеча для воспламенения смеси должна быть сдвинута от оси симметрии корпуса 1 по ходу вращения ротора так, чтобы фронт пламени двигался навстречу потоку смеси, вытесняемой из уменьшающегося объема камеры сгорания. Для более эффективного сгорания смеси целесообразно использовать две свечи зажигания.

Расширение. Расширение рабочего тела происходит от момента достижения минимального объема до открытия выпускного окна. В начальный период расширение идет одновременно с процессом сгорания. Предварение выпуска (до достижения максимального объема камеры) составляет примерно 50^о поворота ротора 2. Таким образом, длительность расширения составляет около 135^о угла поворота ротора 2.

Выпуск газов начинается с момента открытия вершиной ротора 2 выпускного окна А. Этот процесс можно разбить на следующие этапы: первый - свободный выпуск от момента открытия выпускного окна А до момента открытия впускного окна Б; второй - от момента открытия впускного окна Б до момента закрытия выпускного окна А, при этом происходит принудительный выпуск, протекающий под действием вращающегося ротора 2 при уменьшении объема полости, с продувкой камеры и наполнением. Выпускной патрубок должен быть установлен под углом как и впускной, для уменьшения динамических потерь. Поток поступающей смеси будет направлен по ходу вращения ротора 2, заполнять вновь образующийся объем камеры и вытеснять отработанные газы. Для качественной продувки и наполнения камеры необходимо создать некоторое давление смеси на входе, используя для этого роторно-поршневый насос-двигатель (РПНД), установленный соосно в паре с роторным двигателем. Длительность процесса выпуска составляет 145^о угла поворота 2. В течение 110^о выпуск происходит одновременно с продувкой камеры.

Наполнение увеличивающегося объема осуществляется через впускное окно Б, которое будет открыто наполовину при достижении максимального объема камеры. При этом возникают благоприятные условия для начала впуска, т.к. противодавление выпускных газов в этот момент будет сведено к минимуму. Продувка и наполнение будут происходить до закрытия выпускного окна А. Наполнение камеры осуществляется до закрытия впускного окна Б. В конце наполнения скорость изменения объема полости уменьшается. Скорость движения смеси во впускном патрубке остается достаточно большой, что используется для динамической дозарядки полости. В случае использования РПНД для создания давления смеси на входе в роторный двигатель, необходимо, чтобы момент максимального сжатия газов в РПНД совпадал с моментом закрытия впускного окна Б. Длительность наполнения составляет примерно 160^о угла поворота ротора 2.

Сжатие рабочей смеси начинается после перекрытия впускного окна Б и заканчивается при достижении минимального объема полости. Процесс сжатия в роторном двигателе характеризуется большими утечками рабочего тела через уплотнения 3 ротора 2, и протеканием через зазоры продуктов сгорания из предшествующей полости, поэтому степень сжатия не должна быть высокой. Рекомендуемая степень сжатия из условия наибольшей экономичности 8-10. Степень сжатия зависит от параметров формы конхоиды вращения и от формы выемки в роторе 2. Длительность процесса сжатия составляет примерно 50^о угла поворота ротора 2.

От положения окон, степени сжатия, применения наддува смеси существенно меняются фазы газораспределения и экономические показатели роторного двигателя, однако, это говорит о том, что предлагаемый двигатель обладает большими потенциальными возможностями с точки зрения оптимизации характеристик на всех режимах работы.

Из конструктивных соображений рекомендуется следующее соотношение параметров в уравнении конхоиды окружности: а ≃ (0,15 - 0,2)l, а оптимальное положение выпускного окна А соответствует смещению его от оси симметрии корпуса 1 по ходу вращения ротора 2 на 35-40^о, а впускного окна Б на 90^о. При этом увеличивается длительность рабочего хода, что способствует более полному сгоранию рабочей смеси и активному рабочему ходу.

Размещение окон впуска-выпуска Б и А на стенке корпуса 1 позволяет использовать ротор 2 в качестве распределительного механизма и отказаться от клапанного (как в прототипе), на привод которого требуется дополнительная мощность.

Кроме того, предлагаемый роторный двигатель можно превратить в насос-двигатель, если окна впуска-выпуска Б и А разместить симметрично относительно вала 5 по продольной оси ротора 2, находящегося в ВМТ. При этом образуются две камеры, одна из которых всасывающая, а другая нагнетающая. Таким образом, расширяется сфера применения предлагаемого двигателя.

Сущность изобретения: роторный двигатель содержит корпус с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу в полости корпуса, уплотнительные элементы, расположенные в вершинах ротора и выполненные в виде пластин, шестеренную синхронизирующую передачу, неподвижная шестерня которой установлена на подшипнике эксцентрикового вала соосно ему и сопряжена с шестерней внутреннего зацепления ротора. Диаметр неподвижной шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления. Эксцентриситет эксцентрика вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни. Контур рабочей поверхности полости корпуса выполнен по команде окружности. Окна впуска и выпуска на боковой стенке корпуса смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения эксцентрикового вала, причем впускные окна смещены на 90°, а выпускные - на 35 - 40°. 1 ил.

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу, уплотнительные элементы, расположенные в вершинах ротора и выполненные в виде пластин, шестеренную синхронизирующую передачу, неподвижная шестерня которой установлена на подшипнике эксцентрикового вала соосно с ним и сопряжена с шестерней внутреннего зацепления ротора, при этом диаметр неподвижной шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления, эксцентриситет эксцентрика вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни, контур рабочей поверхности полости корпуса выполнен по конхоиде окружности, а окна впуска и выпуска расположены на боковой стенке корпуса и смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения экцентрикового вала, отличающийся тем, что впускные окна смещены на 90^o, а выпускные на 35 - 40^o.