СИНХРОННЫЙ ДВУХРОТОРНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к области двигателестроения.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату, принятым в качестве прототипа, является роторный двигатель, содержащий неподвижный корпус с каналами впуска и выпуска и полостью образованной по меньшей мере двумя симметрично расположенными цилиндрическими поверхностями, две камера сгорания и размещенные в полости центрально-симметрично роторы с валами и противовесами, разделители и цилиндрический золотник с каналами перепуска, соединенные кинематически между собой и корпусом, с возможностью образования четырех изменяемых объемов: двух смесительных впуска сжатия и двух расширения выпуска, причем каналы в цилиндрическом золотнике расположены с возможностью последовательного сообщения каждой камеры сгорания с соответствующим объемом впуска-сжатия и расширения выпуска.

Недостатком известного технического решения является сложность профиля рабочих органов, что усложняет технологию их изготовления, малая глубина зоны сопряжения рабочих поверхностей, неполное сгорание топлива и сильная токсичность отработанных газов, неэффективное радиальное уплотнение, низкая долговечность рабочих органов.

Целью изобретения является упрощение конструкции, снижение механических потерь на трение, повышение удельной мощности и эксплуатационных качеств двигателя при той же технологичности, что и у поршневых двигателей.

Синхронный двухроторно-поршневой двигатель состоит из двух идентичных блоков, размещенных в одном корпусе симметрично его центра масс, термодинамические процессы в котором протекают синхронно. Он содержит неподвижный корпус, два цилиндрической формы ротора-поршня с жестко соединенными заслонками, центральный цилиндрической формы шарнир с пазом, два периферийных шарнира с пазами, в которых перемещаются заслонки, шарнирно соединенные с роторами-поршнями, два эксцентриковых вала с балансирами и вал отбора мощности, на который насажены согласующие шестерни внешнего зацепления с передаточным числом 1:1.

В центре масс корпуса размещен центральный шарнир, а симметрично ему в корпусе две идентичные цилиндрические полости (цилиндры), в которых обкатываются со скольжением роторы-поршни, заслонки которых входят в паз центрального шарнира, две камеры сгорания, два гнезда периферийных шарниров и две смесительные камеры. В каждом блоке заслонки разделяют полость своего цилиндра на камеры наддува сжатия и расширения выпуска.

Центральный шарнир снабжен каналами, через которые камеры сгорания своевременно сообщаются с камерами наддува-сжатия и расширения выпуска, а заслонки, шарнирно соединенные с роторами-поршнями, снабжены каналами, регулирующими своевременное поступление горючей смеси из смесительных камер и камеры наддува-сжатия. Процессы работы этих двух идентичных блоков взаимосвязаны: каждая камера сгорания в процессе сжатия смеси сообщается с камерой наддува-сжатия одного цилиндра, а в процессе расширения газов с камерой расширения выпуска другого цилиндра. При вращении валов роторы-поршни обкатываются со скольжением по поверхности цилиндров корпуса и совместно с своими заслонками разделяют их полости на отсеки переменного объема, в которых протекают термодинамические процессы. Для наддува горючей смеси и охлаждения роторов-поршней изнутри на балансирах размещены малолопастные вентиляторы в виде шнеков.

На фиг. 1 изображен двигатель без верхней крышки; на фиг. 2 то же разрез по плоскости симметрии; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4-6 кинематическая схема рабочего процесса двигателя; на фиг. 7 ротор с торцовым уплотнительным кольцом; на фиг. 8 узел, содержащий эксцентриковый вал с балансиром и внутреннюю обойму роликовых подшипников, насаженную на эксцентрик вала; на фиг. 9 уплотнительная пластина с дисковой гофрированной пружиной; на фиг. 10 диаграмма газораспределения двигателя.

Двигатель содержит неподвижный корпус 1 с двумя торцовыми крышками 2 и рубашкой 3, два идентичных ротора-поршня 4 с жестко соединенными заслонками 5, два идентичных вала 6 с эксцентриками 7, балансирами 8, и малолопастными вентиляторами 9, размещенными во внутренних полостях роторов-поршней, вал 10 отбора мощности, три идентичные согласующие шестерни 11 внешнего зацепления, насаженные на валы, центральный цилиндрический шарнир 12 с пазом 13, симметрично которому в корпусе размещены две идентичные цилиндрические полости (цилиндры), в которых обкатываются со скольжением роторы-поршни, заслонки 5 которых входят в паз 13 шарнира 12, два идентичных периферийных шарнира 14, в пазы 15 которых входят заслонки 16; камеры сгорания 17, смесительные камеры 18 и запальные свечи 19.

Через посредством роликовых подшипников 20 роторы-поршни насажены на эксцентрики 7. Заслонки 5 и 16 разделяют полости цилиндров корпуса на камеры наддува сжатия Б, Б и расширения выпуска В, В, которые своевременно сообщаются с камерами сгорания 17 каналами 21, 22, выполненными в шарнире 12. Заслонки 16 снабжены каналами 23, регулирующими поступление горючей смеси из смесительных камер 18 и камеры наддува-сжатия Б, Б.

При работе двигателя в каждый блок поступает горючая смесь из карбюратора в смесительную камеру 18 через канал 24, впускное окно 25, полость ротора, выпускное окно 26 и канал 27, выполненный в торцовой крышке корпуса. Смазка подшипников и всех механизмов, а также охлаждение роторов изнутри производится горючей смесью (бензин с маслом 25:1). Вентиляторы 9 производят наддув горючей смеси и смесительные камеры 18 и далее через каналы 23 в камеры наддува сжатия Б, Б. В смесительных камерах гребенки 28 заслонок 20 создают сильные турбулентные потоки, которые дополнительно еще более мелко распыляют горючую смесь и смешивают ее с воздухом, что в конечном итоге способствует более полному сгоранию топлива.

Наддув горючей смеси способствует повышению коэффициента наполнения, а вместе с тем увеличивает интенсивность охлаждения роторов-поршней изнутри. Для большей интенсивности охлаждения роторов и придания им большей жесткости их внутренние поверхности снабжены ребрами, расположенными под углом к оси вращения (на чертежах ребра не показаны).

С той же целью сопряжения заслонки 5 выполнены в виде плоского шлицевого соединения, в котором между боковыми поверхностями шлицев могут быть небольшие щели, через которые горючая смесь может циркулировать из одной камеры наддува сжатия в другую. Для того чтобы при работе двигателя шарнир 12 имел постоянное плечо поворота, торцы паза 13 снабжены выступами 29. Для охлаждения шарнира 12 в нем выполнены сквозные сверления 30, сообщающиеся с рубашкой охлаждения двигателя. Каждый торец ротора-поршня снабжен двумя уплотнительными кольцами, внутреннее 31 из которых-поршневое опирается на дно кольцевой канавки, выполненной в торце крышки 32 ротора, а внешнее 33 снабжено винтовым срезом по его торцу и входит в зацепление с аналогичным срезом, выполненным по кромке торца ротора, и имеет возможность поворота под действием пружины, размещенной в кольцевой канавке 34 под внутренней поверхностью кольца. Боковые крышки 32 должны быть жестко соединены с внешними обоймами роликовых подшипников 20.

Механизм радиального уплотнения зоны сопряжения ротора с корпусом.

Внутренние обоймы роликовых подшипников, насаженных с зазором на эксцентрики вала, выполнены эксцентрично, а их торцы снабжены прямоугольными зубьями с просветами. На противоположных сторонах плоских поверхностей балансира установлены листовая пружина 35 и биметаллическая пластина 36, середины которых, опираются на тело балансира, а концы входят в зацепление с внутренними обоймами роликовых подшипников. При этом до обкатки двигателя в зацепления обойм с биметаллической пластиной должен быть зазор, для того чтобы при обкатке двигателя, когда происходит притирка поверхностей, пружина могла бы без ограничения поворачивать обоймы подшипников в сторону увеличения суммарного радиуса эксцентрика до тех пор, пока биметаллическая пластина не войдет в контакт с зацеплением обоймы подшипников. После этого (притирки) устанавливается взаимно зависимая кинетическая связь внутренних обойм подшипников с пружиной и биметаллической пластиной: действие пружины на обоймы всегда сопряжено и направлено в сторону увеличения суммарного радиуса эксцентрика, а биметаллическая пластина, ограничивающая поворот обойм, поворачивается в ту или другую сторону в зависимости от температуры внутри полости ротора, за счет чего и достигается компенсация разности теплового расширения ротора и корпуса. При жесткости биметаллической пластины значительно большей жесткости листовой пружины после обкатки двигатель эффективно будет работать на бесконтактном уплотнении зоны сопряжения ротора с корпусом, поскольку зазор зоны будет настолько мал, что масляная пленка, заполняющая зону, предотвратить утечку газов. Теоретически это возможно (график изменения суммарного радиуса эксцентрика есть косинусоида и в промежутке от 40 до 140 она близка к линейной функции). Есть и второй вариант: жесткость пружины и биметаллической пластины подбирается так, чтобы после обкатки двигатель работал в режиме контактного уплотнения с минимальным силовым взаимодействием ротора и корпуса в зоне сопряжения. В этом случае вместо одной биметаллической пластины лучше установить пакет из двух-трехбиметаллических пластин.

При работе двигателя роторы-поршни обкатываются со скольжением по цилиндрическим поверхностям корпуса и совместно со своими заслонками разделяют полости корпуса на отсеки переменного объема, в которых протекают термодинамические процессы, обеспечивающие работу двигателя. Процессы в блоках протекают синхронно. Термодинамический цикл двигателя совершается за один оборот вала.

Рассмотрим ход течений процессов в нижнем на чертеже блока в той последовательности, как они протекают при запуске двигателя. После поворота вала от нижнего положения ротора (см. фиг. 5) примерно на 60^о (см. фиг. 10) открывается канал 23 заслонки 16 и горючая смесь из смесительной камеры поступает в камеру наддува-сжатия Б,Б до тех пор, пока не закроется канал (см. фиг. 6, 2 4), при этом перед закрытием канала объем камеры Б не увеличивается, а несколько уменьшается, однако горючая смесь будет продолжать поступать в нее за счет наддува и инерции потока газов.

После этого в камере Б происходит сжатие смеси и, когда канал 21 начнет сообщаться с левой камерой сгорания, начнется продувка камеры сгорания, продолжающаяся до закрытия сообщения канала 23 с камерой сгорания, после чего в камере Б продолжается сжатие смеси и перепуск ее в камеру сгорания. Вблизи верхнего положения ротора камера сгорания отсекается от отсеков Б и В, и в ней от запальной свечи происходит зажигание горючей смеси, а затем, когда канал 23 сообщится с той же левой камерой сгорания, и ее расширение в камере. С верхнего цилиндра, а за расширением следует выпуск отработанных газов через выпускное окно 37 верхнего блока.

При работе двигателя в камерах Б и В одновременно протекают несколько процессов. В положении ротора, изображенного на фиг. 2, камера сгорания отсечена от камер Б и В, и в ней протекает процесс горения, в камере В продолжается выпуск, а в Б впуск; на фиг. 4 в камере Б заканчивается впуск в В, в отсеке от заслонки 5 происходит расширение газов, а в отсеке от заслонки 16 конец выпуска; на фиг. 5 камера сгорания сообщена с камерами Б и В и в ней происходит продувка, в Б сжатие, в В конец расширения; на фиг. 6 в камере А в отсеке от заслонки 16 впуск, а в отсеке от заслонки 5 сжатие и перепуск смеси в камеру сгорания, в В продолжение выпуска. Синхронно нижнему блоку протекают процессы и в верхнем блоке.

Шарнир 12 и его паз 13 снабжены уплотнительными пластинами 38, а торцы заслонок уплотнительными пластинами 39 и 40.

Общие характерные особенности заявляемого двигателя:
два блока размещены симметрично центра масс двигателя, который совпадает с его геометрическим центром, а кинематика движений их механизмов протекает в противофазах, вследствие чего двигатель полностью уравновешен без всяких дополнительных устройств;
следствием симметрии конструкции и синхронности протекания процессов является то, что равнодействующая всех сил, действующих на центральный шарнир, равна нулю; равно нулю и силовое взаимодействие зон сопряжений поверхности центрального шарнира с корпусом и поверхностей его паза с заслонками (силовое взаимодействие уплотнительных пластин пренебрегается), а это, во-первых, сводит к нулю потери на трение и износ деталей в этих зонах, а во-вторых, дает возможность применять керамические материалы с малым пределом прочности;
симметричное распределение температурных напряжений корпуса относительно его центра.

В отличие от поршневых двигателей и роторно-поршневых двигателей типа Ванкеля в заявляемом двигателе в течение всего процесса расширения сила давления газов на ротор изменяется незначительно, как при убывании давления газов ΔP увеличивается активная площадь ΔS ротора, а F=ΔP ΔS. Это устраняет ударные нагрузки на ротор, подшипники и обеспечивают мягкость работы двигателя.

Частные особенности и сравнения заявляемого двигателя с двухтактным поршневым и роторно-поршневым двигателем Ванкеля. В двухтактном двигателе очистка отработанных газов производится из всего рабочего объема цилиндра. При этом сначала газы удаляются за счет разности давлений в цилиндре и атмосфере, а потом их очистка происходит за счет всасывающего действия струи горючей смеси. Этот способ неэффективен, так как в процессе продувки вместе с отработанными газами уходит около 25% горючей смеси и при столь больших потерях смеси относительное количество остаточных газов составляет 25% а коэффициент наполнения не превышает 50%
В заявляемом двигателе очистка газов производится только из камер сгорания так, что в процессе продувки предварительно сжатая смесь выталкивает из камер сгорания остаточные газы. При таком способе можно добиться почти полного удаления остаточных пазов без утечки горючей смеси. В отличие от двухтактного двигателя в данном двигателе после продувки в камеру сгорания продолжает поступать горючая смесь из камер наддува сжатия. В двухтактном двигателе Ванкеля имеет место низкая ступень смесеобразования, вследствие чего происходит неполное сгорание топлива, а это снижает КПД и увеличивает степень токсичности отработанных газов. В заявляемом двигателе помимо карбюратора распыление и испарения горючей смеси происходит во внутренней полости ротора и в дополнение к этому еще в смесительной камере, где гребенки заслонки создают сильную турбулентность потока газов.

В двигателе Ванкеля трудоемкая и сложная технология обработки эпитрохоидной поверхности корпуса, в также ротора, а следовательно, и высокая стоимость изготовления. Более того, отсутствие технологической преемственности с традиционными моторами создают трудности не только при его изготовлении, но и при ремонте (для его ремонта нужно специальное оборудование). В заявляемом двигателе рабочие поверхности корпуса и ротора имеют цилиндрическую форму и изготавливаются на тех же станках и линиях, что и поршневые двигатели, а для их ремонта не нужно специальное оборудование.

В двигателе Ванкеля на радиальные уплотнительные лопатки вследствие различного радиуса кривизны эпитроходной поверхности действуют знакопеременные инерционные силы, из-за чего при высоких оборотах происходит обрыв лопаток от поверхности корпуса, что вызывает на последней появление поперечных борозд, а это приводит к быстрому износу корпуса. В заявляемом двигателе радиус кривизны рабочих поверхностей корпуса постоянный, а значит на роторы действуют инерционные силы одного знака и после притирки, в сопряжениях роторов с корпусом отсутствуют или почти отсутствуют силовые взаимодействия, что приводит к увеличению долговечности рабочих органов и снижению механических потерь на трение.

В двигателе Ванкеля неэффективное радиальное уплотнение. Радиальные уплотнительные лопатки имеют очень малую глубину зоны сопряжений с корпусом, что неизбежно приводит к утечке газов и, кроме того, лопатки, скользя по поверхности корпуса на любых оборотах вызывают его быстрый износ и создают большие механические потери на трение. В заявляемом двигателе разработана более эффективная система радиального уплотнения.

В двигателе Ванкеля согласующие шестерни внутреннего зацепления усложняют конструкцию при создании двух-и трехсекционных двигателей, в заявляемом двигателе согласующие шестерни внешнего зацепления не создают никаких усложнений при изготовлении двух-и трехсекционных двигателей: секции насаживаются на те же валы без дополнительных согласующих шестерен.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель состоит из двух идентичных блоков, размещенных в одном корпусе симметрично его цетра масс, термодинамические процессы в котором протекают синхронно. Блок содержит корпус, два цилиндрических ротора-поршня с жестко соединенными заслонками, центральный цилиндрический шарнир с пазом, два периферийных шарнира с пазами, в которых перемещаются заслонки, шарнирно соединенные с роторами, два эксцентриковых вала с балансирами и промежуточный вал, на которые насажены согласующие шестерни внешнего зацепления. В корпусе симметрично центральному шарниру размещены две идентичные цилиндрические полости (цилиндры), в которых обкатываются со скольжением роторы-поршни, заслонки которых входят в паз центрального шарнира, две камеры сгорания, два гнезда периферийных шарниров и две смесительных камеры. Центральный шарнир снабжен каналами, через которые камеры сгорания своевременно сообщаются с камерами наддува-сжатия и расширения-выпуска, разделенными заслонками, а заслонки, шарнирно соединенные с роторами, снабжены каналами, регулирующими поступление смеси из смесительных камер в камеры наддува-сжатия. Каждая камера сгорания в процессе сжатия горючей смеси сообщается с камерой наддува-сжатия одного цилиндра, а в процессе расширения газов - с камерой расширения-выпуска другого цилиндра. При вращении валов роторы-поршни совместно со своими заслонками разделяют полости корпуса на отсеки переменного объема, в которых протекают термодинамические процессы, обеспечивающие работу двигателя. 1 з. п. ф-лы, 10 ил.

1. СИНХРОННЫЙ ДВУХРОТОРНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий неподвижный корпус с каналами впуска и выпуска и полостью, образованной по меньшей мере двумя симметрично расположенными цилиндрическими поверхностями, две камеры сгорания и размещенные в полости центрально-симметрично роторы с валами и противовесами, разделители и цилиндрический золотник с каналами перепуска, соединенные кинематически между собой и корпусом с возможностью образования четырех изменяемых объемов: двух смесительных впуска-сжатия и двух расширения-выпуска, причем каналы в цилиндрическом золотнике расположены с возможностью последовательного сообщения каждой камеры сгорания с соответствующим объемом впуска-сжатия и расширения-выпуска, отличающийся тем, что цилиндрический золотник выполнен поворотным с центральным ступенчатым пазом, роторы расположены на валах эксцентрично с возможностью касания соответствующих им цилиндрических поверхностей, снабжены разделительными ступенчатыми заслонками, жестко связанными с роторами, установленными в пазу цилиндрического золотника с возможностью взаимного радиального перемещения и сопряженными между собой и со ступенчатым пазом цилиндрического золотника, разделители выполнены в виде плоских золотников с двумя шарнирами и продольным пазом, расположенным с возможностью сообщения с соответствующим каналом впуска и объемом впуска-сжатия, причем первый шарнир каждого золотника жестко связан с ротором, а второй - с корпусом и выполнен с диаметральным пазом, сопряженным с внешней поверхностью плоского золотника, камеры сгорания выполнены в корпусе, а каналы в цилиндрическом золотнике - с возможностью их периодического перекрытия внешней ступенчатой поверхностью ступенчатых заслонок. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между ротором и валом установлен роликовый подшипник, вал снабжен эксцентриковой втулкой, жестко связанной с его внутренней обоймой, и соединенными с втулкой листовой и биметаллической пружинными пластинами, установленными по разные стороны от ее оси и опирающимися на противовес, а каждый ротор - торцевым уплотняющим кольцом, сопряженным с ним по винтовой поверхности и подпружиненным в тангенциальном направлении.