СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЙ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B53/00 F01C19/00 

Изобретение относится к уплотнению роторно-поршневых двигателей и может быть использовано и в других роторно-поршневых и роторных машинах.

Известны двигатели, включающие корпус с размещенными в его камере ротором-поршнем или роторами, делящими камеру на рабочие отсеки, при этом корпус и ротор-поршень или роторы контактируют между собой посредством установленных в их пазах уплотнительных элементов, в том числе посредством пластин со скругленными в поперечной двигателю плоскости, контактными поверхностями, уплотняющих рабочие отсеки с боковых сторон.

В частности, известны системы уплотнения, в которых на каждой вершине ротора-поршня установлены одиночные уплотнительные пластины, твердость скругленной контактной поверхности которых отличается от твердости боковой поверхности камеры, т. е. твердость пластин может быть выше или ниже твердости боковой поверхности камеры. Однако при этом твердость скругленной контактной поверхности всех уплотнительных пластин установленных на вершинах ротора-поршня, одинакова.

Известны также системы уплотнения, в которых на каждой вершине ротора-поршня установлено несколько уплотнительных пластин, выполненных из разных по твердости материалов. Однако при этом на каждой вершине ротора-поршня установлен одинаковый набор разнотвердых уплотнительных пластин.

Общим недостатком уплотнения РПД является значительная утечка газов через зазоры между скругленными поверхностями уплотнительных пластин и контактирующей с ними поверхностью. Исходным фактором этого недостатка является объективная специфика уплотнения, выражающаяся в скругленной (малого радиуса) поверхности уплотнительных пластин и переменной (или большей) кривизне контактирующей с ними поверхности с образованием при этом малой площади контакта в виде тонкой линии. Другим фактором, усугубляющим этот недостаток, является указанный выше набор уплотнительных пластин по относительной твердости пластин и боковой поверхности камеры. (Подробный сравнительный анализ изложен в описании работы уплотнительной системы и обосновании получения положительного технического результата).

Целью изобретения является улучшение герметизации рабочих отсеков двигателя в условиях нитевидного контакта между элементами системы (как объективной специфики роторно-поршневых двигателей).

Это достигается тем, что скругленная в поперечной двигателю плоскости, контактная поверхность одной из общего числа пластин, установленных в пазах любой из сопрягающихся частей системы (корпус, ротор-поршень, роторы) и уплотняющих рабочие отсеки с боковых сторон, выполнена из материала, твердость которого выше твердости контактирующих с ней поверхностей, (например, пластина ротора может контактировать не только с корпусом, но и с другим ротором), а скругленные в поперечной двигателю плоскости, контактные поверхности остальных пластин, контактирующих с теми же поверхностями, выполнены из материала, твердость которого ниже твердости контактирующих с ними поверхностей.

Изложенная формулировка характеризует существенные признаки предлагаемой системы уплотнения вне зависимости от типа роторно-поршневого или роторного двигателя.

Ниже изложены характеристики систем уплотнения применительно к двум типам роторно-поршневых двигателей. Так, во втором пункте формулы предлагаемая система уплотнения показана в двигателе, включающем корпус, в трохоидной камере которого размещен ротор-поршень с установленными в его пазах уплотнительными элементами, при этом, скругленная в поперечной двигателю плоскости, контактная поверхность одной из пластин, уплотняющих рабочие отсеки с двух боковых сторон, выполнена из материала, твердость которого выше твердости боковой поверхности камеры, а скругленные в поперечной двигателю плоскости, контактные поверхности остальных пластин, уплотняющих отсеки с боковых сторон, выполнены из материала, твердость которого ниже твердости боковой поверхности камеры.

В третьем пункте формулы, предлагаемая система уплотнения показана в двигателе, профиль ротора-поршня которого выполнен по трохоиде, а пластины уплотняющие отсеки с боковых сторон установлены в пазах корпуса, при этом скругленная в поперечной двигателю плоскости контактная поверхность одной из пластин установленных в пазах корпуса, выполнена из материала, твердость которого выше твердости боковой поверхности ротора-поршня, а скругленные в поперечной двигателю плоскости, контактные поверхности остальных пластин, установленных в пазах корпуса, выполнены из материала, твердость которого ниже твердости боковой поверхности ротора-поршня.

На фиг.1 показана схема построения теоретической эпитрохоиды Т, внешней эквидистанты Д_внешн. и внутренней эквидистанты Д_внутр. (Д_внутр. является профилем для ротора-поршня) путем поворота образующей вершины вокруг эксцентрика 0 с одновременным поворотом эксцентрика вокруг оси вала 0₁ в одну сторону через каждые соответственно 15 и 45^о; на фиг.2 схема двигателя с трехвершинным ротором-поршнем и трохоидной рабочей камерой корпуса; на фиг.3 схема двигателя, в котором профиль ротора-поршня образован эквидистантной Д_внутр., образующая точка которой связана с корпусом (пластины, уплотняющие отсеки с боковых сторон, установлены в пазах корпуса); на фиг.4 схема четырехроторного двигателя, в котором может быть использована предлагаемая система; на фиг.5 схема двухроторного двигателя (с четным и нечетным числом вершин), в котором может быть использована предлагаемая система; на фиг.6 разрез А-А на фиг.2.

Двигатель содержит корпус 1, в трохоидной камере которого размещен эксцентриковый вал (ось вала О₁ ось эксцентрика О) с установленным на нем ротором-поршнем 2 с размещенными на нем уплотнительными пластинами 3 и 4. Пластина 3 имеет особо твердую скругленную поверхность, превышающую по твердости боковую поверхность камеры корпуса 1.

Остальные пластины 4 имеют твердость скругленной контактной поверхности ниже твердости боковой поверхности камеры корпуса 1. Двигатель содержит корпус 1, в камере которого размещен ротор-поршень 2 (ось шестерни корпуса О_к, ось шестерни ротора-поршня О_р). Профиль ротора-поршня 2 представляет собой внутреннюю эквидистанту Д_внутр. к теоретической трохоиде Т. В радиальных пазах корпуса 1, (в образующих трохоиду точках) размещены уплотнительные пластины 3 и 4 со скругленными контактными поверхностями. При этом пластина 3 имеет особо твердую скругленную контактную поверхность, превышающую по твердости боковую поверхность ротора-поршня 2. Остальные пластины 4 имеют твердость ниже твердости боковой поверхности ротора-поршня 2. Абсолютная твердость элементов системы задается, исходя из принципа: чем больший диапазон твердости элементов системы (особо твердая пластина боковая поверхность корпуса или ротора-поршня остальные уплотнительные пластины), тем больше проявляется положительный технический результат и чем при этом выше абсолютная твердость элементов системы, тем больший срок службы уплотнения.

Например, пластина 3 может быть выполнена из карбида кремния, карбида или нитрида бора вольфрама, титана, тантала, ниобия.

Корпус 1 и ротор-поршень 2 могут быть выполнены из чугуна с последующей термохимической обработкой или хромированием контактной поверхности. Пластины 4 могут быть выполнены из чугуна разных марок. С целью гарантированного предотвращения осевого перемещения уплотнительных пластин, как одного из условий достижения поставленной цели (в результате возможного износа их торцов), каждая пластина, установленная на роторе-поршне, фиксирована в осевом направлении ограничительными штифтами 5.

Особенность работы предлагаемой системы уплотнения обусловлена спецификой роторно-поршневых двигателей, в которых объективно сочетаются следующие факторы:
вращения ротора-поршня в одну сторону и замкнутая в направлении движения уплотнительных пластин боковая поверхность камеры (или ротора-поршня) в отличие от возвратно-поступательного движения в ПД;
дугообразный профиль контактной поверхности уплотнительных пластин (в отличие от плоской контактной поверхности поршневых колец и гильзы и ПД);
отсутствие осевого перемещения уплотнительных пластин, относительно контактирующей с ними поверхности (в отличие от неизбежных угловых перемещений поршневых колец в силу их упругости и неравномерного износа гильзы);
возможность значительного радиального перемещения уплотнительных пластин по мере износа контактирующих поверхностей без нарушения осевого положения пластин (в отличие от ПД, в котором чрезмерный износ колец приводит к еще большему перемещению по дуге контактных точек кольца).

Система уплотнения работает следующим образом.

Твердосплавная уплотнительная пластина 3 с самого начала работы двигателя изменяет усредненный производственный микрорельеф боковой поверхности камеры (или ротора-поршня) и в силу своей особой твердости формирует на ней "свой", специфичный микрорельеф, так как при планетарном движении ротора-поршня каждая точка дугообразного профиля уплотнительной пластины перемещается по строго определенным участкам профиля камеры (или ротора-поршня). При этом каждая реальная контактная точка (микровыступ) движется строго в одной (поперечной двигателю) плоскости и, следовательно, на каждом обороте микровыступ проходит по одной и той же микроборозде им же сформированной, не образуя на других участках боковой поверхности камеры (или ротора-поршня) случайных (параллельных) микроборозд. При этом при любом положении ротора-поршня на линии контакта скругленной поверхности пластины находится только один ряд микровыступов, каждый из которых утоплен в свою микроборозду, а поскольку на боковой поверхности камеры (или ротора-поршня) нет случайных (параллельных микроборозд), то между пластиной и боковой поверхностью камеры образуется непрерывная контактная линия по всей длине уплотнительной пластины. Остальные уплотнительные пластины, имеющие скругленную поверхность более мягкую, чем боковая поверхность камеры, двигаясь в том же режиме, что и твердая пластина, притираются к более твердому для них микрорельефу боковой поверхности камеры, который и для них становится так же "своим", поскольку микрорельеф каждой мягкой пластины становится точной копией микрорельефа особотвердой пластины. В результате этого контактная линия между каждой пластиной и боковой поверхности камеры остается непрерывной по всей длине уплотнительной пластины в процессе эксплуатации двигателя, поскольку специфичность микрорельефа автоматически поддерживается особотвердой пластиной, а возможные изменения микрорельефа (например, в силу каких-то неравномерностей в структуре особотвердой пластины) происходят медленно и более мягкие поверхности успевают притереться к более твердым.

Известен двигатель, в котором на каждой вершине ротора-поршня установлены одиночные уплотнительные пластины, твердость скругленной контактной поверхности у которых ниже твердости боковой поверхности камеры. В этом случае при планетарном движении ротора-поршня уплотнительная пластина каждым конкретным участком скругленной поверхности контактирует с разными участками более твердой поверхности камеры, в результате чего каждая пластина приобретает усредненный микрорельеф, и, следовательно, контактная линия между пластинами и боковой поверхностью камеры становится прерывистой, т.е. между пластиной и боковой поверхностью камеры неизбежно возникает зазор.

Известен ротационный поршень двигателя, имеющий по меньшей мере один гребневый сальник, выполненный из нитрида кремния, например, имеющий три гребневых сальника, при этом каждый сальник выполнен из нитрида кремния.

В таком двигателе в силу большой твердости пластин относительно твердости боковой поверхности камеры их взаимодействие протекает следующим образом.

Каждая твердая пластина (сальник) формирует на боковой поверхности камеры "свой", специфичный для данной пластины, микрорельеф, т.е. каждый микровыступ пластины формирует свою микроборозду, но поскольку твердых пластин несколько, например три, то микрорельефы, сформированные каждой твердой пластиной, накладываясь друг на друга, образуют усредненный не специфичный ни для какой из пластин, микрорельеф. В результате между пластинами и корпусом неизбежно возникает зазор, так как на каждом участке поверхности камеры микроборозд оказывается в три раза больше, чем может перекрыть одна пластина своими микровыступами.

Известен двигатель, в котором на каждой вершине ротора-поршня установлено по нескольку пластин, в частности, блока из двух твердых и одной мягкой пластин.

В этом случае на взаимодействие между пластинами и поверхностью камеры влияет то, что твердые пластины, двигаясь друг за другом, формирует усредненный микрорельеф поверхности камеры, а мягкие пластины, двигаясь по усредненному микрорельефу, тоже приобретают собственный усредненный микрорельеф. В результате между всеми пластинами и поверхностью камеры неизбежен зазор.

Известен поршневой ДВС, в котором, в частности, одно из поршневых колец покрыто хромом.

В таком двигателе каждое отдельно рассматриваемое кольцо, перемещается на величину хода поршня, поэтому одно кольцо в силу своей твердости вырабатывает на гильзе относительно глубокий след (с усредненным микрорельефом), ограниченный сверху и снизу уступами. Другие более мягкие кольца перемещаются частично по следу твердого кольца, а частично за пределами этого следа, преодолевая и истирая уступ, образованный твердым кольцом, что искажает их контактную поверхность и не дает возможности сформироваться идентичному микрорельефу на всех кольцах. Кроме того, из-за упругости и углового смещения колец в поршневом ДВС нельзя обеспечить движение конкретного микровыступа кольца (и тем более одновременно всех колец) по одной и той же микроборозде. А поскольку каждый микровыступ кольца, перемещаясь вверх-вниз, оставляет на гильзе новый след, то в конечном счете и на кольцах и на гильзе образуется множество случайных микроборозд, т.е. образуется усредненный микрорельеф и на кольцах и на поверхности гильзы, к тому же на микрорельеф гильзы влияет еще и тело поршня. Из этого следует, что наличие на поршне ПД только одного хромированного кольца не улучшает уплотнения двигателя по сравнению с ПД, на поршнях которого установлены все хромированные кольца. В представленной таблице проиллюстрирована причинно-следственная зависимость между числом твердых и мягких уплотнительных элементов и связанный с этим положительный результат в сравниваемых ПД и РПД.

Как следует из данных таблицы, в сравниваемых двигателях (ПД и РПД) имеет место противоположная причинно-следственная зависимость между отношением числа твердых и мягких уплотнительных элементов и связанный с этим отношениями положительный результат.

Если сравнивать уплотнение РПД и ПД по их общим функциональным качествам, в ПД уплотнение лучше, однако поскольку в силу разной специфики перенести уплотнение ПД и РПД нельзя, т.е. они не взаимозаменяемы не только по конструктивным признакам, но и по функциональным заявленным свойствам (что видно из таблицы), то следовательно, заявленный функциональный признак улучшение герметизации рабочих отсеков правомерно рассматривать только применительно к РПД.

Следовательно, совокупность известных признаков РПД и заявленных отличительных признаков обеспечивает заявленный положительный результат улучшение герметизации рабочих отсеков, в частности, и в процессе длительной эксплуатации двигателя.

Сущность изобретения: система уплотнений роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит по меньшей мере два уплотняющих элемента, установленных в пазах одной из сопряженных поверхностей корпуса и ротора с возможностью контакта с другой поверхностью и выполненных в виде пластин со скругленными контактными поверхностями, имеющими различную твердость и расположеными перпендикулярно направлению относительного движения сопряженных поверхностей. Скругленная контактная поверхность одной из пластин выполнена из материала с твердостью, превышающей твердость другой сопряженной поверхности, а контактная поверхность других пластин выполнена из материала с твердостью ниже твердости другой сопряженной с ними поверхности. Причем первая поверхность может принадлежать ротору, а вторая корпусу, и наоборот. 2 з. п. ф-лы, 6 ил. 1 табл.

1. СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЙ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая по меньшей мере два уплотняющих элемента, установленных в пазах одной из сопряженных поверхностей корпуса и ротора с возможностью контакта с другой поверхностью и выполненных в виде пластин со скругленными контактными поверхностями, имеющими различную твердость и расположенными перпендикулярно направлению относительного движения сопряженных поверхностей, отличающаяся тем, что округленная контактная поверхность одной из пластин выполнена из материала с твердостью, превышающей твердость другой сопряженной поверхности, а контактная поверхность других пластин выполнена из материала с твердостью ниже твердости другой сопряженной с ними поверхности. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первая поверхность принадлежит ротору, а вторая корпусу. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что первая поверхность принадлежит корпусу, а вторая ротору.