РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F02B57/00 

Изобретение относится к машиностроению. Роторно-поршневой двигатель с расположением поршней параллельно оси вращения ротора имеет синусоидальную направляющую. Далее в тексте будет называться синус ДВС.

ДВС может применятся как энергетическая установка на транспортных средствах (автомобиль, самолет, мотоцикл и т.д.), а также на стационарных установках (дизельэлектростанции, водоподающие устройства и т.д.).

ДВС наиболее применим на легковом автомобиле.

Известные двигатели внутреннего сгорания имеют большой вес на единицу мощности и соответственно большую металлоемкость при изготовлении, малый ресурс, сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления, не универсальны в применении, не имеют возможности реверса, модульности (возможности соединения двигателей в цепь для получения большей мощности), не трансформируют крутящий момент (требуют дополнительного редуктора), не имеют возможности рекуперировать энергию без перемещения поршней. Из-за больших инерционных нагрузок скорость вращения на выходном вале ограничена. У роторных двигателей Ванкеля не решается проблема уплотнения газового стыка и повышенного расхода масла, но данный двигатель имеет относительно высокий КПД за счет того, что топливо сгорает в закрытом объеме (замкнутом пространстве).

У роторно-поршневых ДВС с оксиальным расположением поршней главным недостатком является выкрашивание рабочих поверхностей криволинейных направляющих.

Газовые турбины имеют малый вес на единицу мощности, но меньший КПД, и поэтому больший расход топлива на единицу мощности.

Прототипом предлагаемого ДВС выбран роторно-поршневой двигатель с оксиальным расположением поршней (патент США N 4023542, кл. 123-58, 1977).

В данном двигателе поршни перемещаются параллельно оси вращения корпуса, через шток и ролики опираются на криволинейную поверхность неподвижного трека, боковым усилием поворачивают корпус относительно трека. На треке имеется паз, который своими выступами обеспечивает движение поршней в обратном направлении относительно выступов. Данная компоновка позволяет при тщательной доработке получить показатели, близкие в ДВС с кривошипно-шатунным механизмом.

Прототип имеет следующие недостатки:
большой удельный вес на единицу мощности, большие габариты (требуется разместить газораспределительный механизм и прочие вспомогательные агрегаты);
данный двигатель сложен в изготовлении (точная подгонка, подводящие, отводящие каналы в теле корпуса, фиксация трека, отбор мощности от вращающегося корпуса и его крепление и т.д.);
ресурс такого двигателя низок из-за того, что ударные нагрузки рабочего хода не аммортизируются, а полностью воспринимаются рабочей поверхностью трека, что приводит к его быстрому (катастрофическому) выкрашиванию, нет плавности хода;
ролики имеют малый диаметр, поэтому удельные нагрузки на рабочую поверхность многократно увеличены, что усугубляет недостаток, указанный в пункте 1;
обеспечение реверса затруднено, модульность невозможна из-за одностороннего вывода, скорость вращения ограничена по причине резкости хода;
пазы, выполненные в треке, исключают свободное вращение подвижных частей без применения поршня, а это приводит к дополнительному неизбежному износу колец, поршней, зеркала цилиндров, требуют при заводке большого крутящего момента;
в двигателе нет устройства, компенсирующего тепловой зазор, зазор, образующийся в результате износа направляющей трека и ролика, что приводит к шумности его работы и интенсивному износу.

Цель изобретения - сконструировать ДВС, имеющий экономичность кривошипно-шатунного поршневого двигателя и малый вес на единицу мощности газовой турбины, обладающий дополнительными положительными качествами: модульностью, реверсивностью, рекуперативностью вращательного движения, способностью трансформировать крутящий момент, имеющий большой диапазон регулирования скорости вращения.

Предлагаемый ДВС (фиг. 1) состоит из ротора 1, в передней (левой) части которого установлена стопорная пружина 2, распорное кольцо 3 и сальник 4, обеспечивающий фиксацию ротора от осевых перемещений и уплотнение стыка между ротором 1 и статором 5.

В роторе выполнено внутреннее наклонное отверстие для установки свечи 6. Аналогично поршневому двигателю поршневой палец 7 устанавливается в поршне 8. На пальце 7 располагается рабочее колесо 9, которое постоянно находится в контакте с криволинейной (синусоидальной) рабочей поверхностью статора 10. Прокладка 11 крышки 12 обеспечивает герметичность по периметру статора в задней (правой) части. Распорное кольцо 13, подшипник, шайба 14 и стопорное кольцо обеспечивают фиксацию ротора от осевого перемещения в задней части. Крышка 12 крепится к статору гаечно-болтовым соединением 16, 17.

Поршневые пальцы 7 (фиг. 2), через винты крепления 18 попарно - последовательно по кругу соединены двуплечими рычагами 19, качающимися на осях 20. Для газораспределения имеются продувочные окна ротора 21, выпускное окно 22 и впускное окно 23 статора.

Двуплечий рычаг 19 (фиг. 3) имеет прорези 24 на концах рычага для предоставления возможности пальцу поршня 7 свободно перемещаться параллельно оси двигателя. Для обеспечения (свободного) рекуперативного вращения (наката) предлагается вариант подрессоривания коромысла пружиной 25, которая имеет двойное предназначение. Во-первых пружина удерживает оба рабочих колеса 9 в постоянном контакте с рабочей поверхностью статора 10, компенсируя зазор от износа и теплового расширения. Во-вторых, она является возвратной для рычага 26 (фиг. 4), который под воздействием упорного подшипника 27 обеспечивает при поворачивании вокруг оси 27 отключение поршней от направляющей.

Двигатель выполнен на подшипниках скольжения 13 (фиг. 1), затяжка которых регулируется снятием и постановкой регулировочных пластин 11 (фиг. 1). Герметичность внутренней полости двигателя от утечки масла обеспечивается сальниками 4 и 14. Герметичность ротора по периметру достигается плотной посадкой ротора на статор, маслосгонной резьбой на роторе, а также сальниковыми уплотнениями на статоре.

Двуплечий рычаг обеспечивает движение поршня при такте впуска, а также для смягчения ударной нагрузки при такте рабочий ход, передавая нагрузку частично на поршень противоположного конца коромысла и на пружину 25 (фиг. 4).

Смазка всех деталей производится окунанием в масляную ванну, а также разбрызгиванием. Двигатель можно выполнять как дизельным с внутренним смесеобразованием, так и карбюраторным с внешним смесеобразованием. Причем в последнем случае запальная свеча 6 (фиг. 1) располагается внутри ротора.

Охлаждение воздушное или жидкостное.

Реверс можно производить, изменяя опережение зажигания или впрыска, соединяя несколько двигателей последовательно роторами, достигается увеличение мощности модуля.

Описание порядка работы двигателя.

При запуске (стартером) поршень 8 (фиг. 1) находится в крайнем левом положении. Горючая смесь над днищем поршня сжата. За счет искрового разряда свечи 6 (фиг. 1) смесь воспламенится, оттеснит поршень в правую сторону. При этом ролик 9 (фиг. 1) покатится по синусоидальной направляющей (рабочий ход). Сила энергии газа повернет ротор на 1/16 оборота против хода часовой стрелки на фиг. 2. Связанный с ним двуплечим рычагом 19 (фиг. 2) следующий поршень будет двигаться влево (фиг. 1), сжимая смесь (сжатие). Одновременно следующая пара поршней придет в движение. Причем очередной поршень пойдет вправо, открывая впускное продувочное окно 21 (фиг. 2, Впуск). (Поршень показан в момент перекрытия продувочных окон впуска и выпуска). Движение поршня вправо произойдет из-за движения поворота двуплечего рычага, так как связанный с ним поршень будет перемещаться влево, потому что ролик последнего поршня обкатывает выступ синусоидальной направляющей. Последний поршень идет справа налево. Впускное окно 21 (фиг. 2) ротора находится напротив канала выпуска, через который происходит выпуск отработанных газов (Выпуск). Прослеживая в обратном порядке описание работы двигателя (впуск, выпуск, рабочий ход, сжатие), очевиден полный цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 4 и 5 приняты обозначения: Δ₁ - Δ₂ - зазоры, компенсирующие смещение коромысла при работе; Δ₃ - зазор, компенсирующий износ направляющей и ролика, температурные расширения.

Отличительные (от прототипа) признаки. Описанный двигатель отличается от прототипа тем, что поршни данного двигателя соединяются между собой попарно (последовательно по кругу) коромыслом, которое имеет возможность перемещаться относительно пальца поршня по касательной к окружности пальца, статор неподвижен и кинематически не соединен с ротором (ротор имеет возможность свободно вращаться относительно статора). В известном решении поршни попарно коромыслом не соединены, корпус и ротор выполнены вместе.

В описанном двигателе ось коромысла соединена с пластиной (дополнительным рычагом) и через выжимной подшипник с выжимной муфтой, что позволяет рекуперировать движение без перемещения поршней. В известном решении такая задача не решается.

В известном решении выпуск осуществляется не при помощи коромысла, а за счет того, что шток поршня через ролики удерживается выступами паза, выполненными в треке. Данные выступы делают невозможным переместить ролики от трека, т.е. обеспечить свободное вращение, накат.

Отсутствие компенсирующего приспособления, не позволяющего появляться зазору от износа и изменения температуры, в известном решении будет приводить к быстрому износу трека, главного признака, отличающего рассматриваемые ДВС от прочих аналогов.

В описанном двигателе именно синусоидальная направляющая, с которой контактирует рабочее колесо, качающееся коромысло, соединяющее поршни попарно, амортизационная пружина, рабочее колесо на пальце поршня делают рабочий ход плавным.

Упрощенная компановка, двухсторонний вывод подвижной части в описанном двигателе позволяют обеспечить модульность, а сочетание впускных и выпускных каналов в роторе и статоре обеспечивают газораспределение без дополнительных пластин и приводов, как это сделано в прототипе.

Использование: энергетическое машиностроение. Сущность изобретения: в корпусе 5 двигателя закреплена криволинейная направляющая 10 и установлен ротор 1 с цилиндрами, в которых расположены поршни 8 с роликами 9, контактирующими с направляющей 10, поршни 8 попарно связаны двуплечим рычагом, причем ось рычага подпружинена. 5 ил.

РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий неподвижный корпус с криволинейной направляющей, ротор с цилиндрами, оси которых параллельны оси ротора, поршни с элементами качения, контактирующими с направляющей, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, двигатель дополнительно снабжен двуплечими коромыслами, связывающими попарно поршни, причем оси коромысел подпружинены и связаны с рычагом управления, элементы качения выполнены в виде роликов, установленных на кольцах поршней, а криволинейная направляющая выполнена синусоидальной формы.