РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для использования в различных транспортных средствах.

Известен роторно-поршневой двигатель, в котором роторы связаны с выходным валом, вынесенным за пределы рабочей полости, кулисно-кривошипным механизмом (см. патент Франции N 587983, Н.кл. 46а⁵9, 1925 г.). Но в данном двигателе крутящий момент на выходном валу получается как разница крутящих моментов ротора, кривошипно-шатунный привод громоздкий и детали в нем работают на излом при ударных нагрузках. В данном двигателе также происходит значительное изменение объема камеры сгорания от угла поворота выходного вала.

В качестве прототипа выбран роторно-поршневой двигатель, описанный в патенте США N 2085505, Н. кл. 418- 36, 1937 г. содержащий цилиндрический корпус с установленными в нем 2-мя роторами, вложенными друг в друга, ось вращения которых совпадает с осью симметрии корпуса, каждый ротор имеет свой привод в виде эллиптических шестерней с выходным валом, вынесенным за пределы рабочей полости. При вращении концы роторов отсекают различные объемы, тем самым обеспечивается газораспределение в двигателе.

В данном двигателе крутящие моменты от роторов вычитаются друг из друга на выходном валу, при этом шестерни испытывают значительные ударные нагрузки, что ограничивает мощность двигателя. Объем камеры сгорания значительно изменяется от угла поворота выходного вала.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение:
изменение величины и характеристики результирующего крутящего момента на выходном валу двигателя,
устранение шестеренчатого привода роторов.

Указанная задача решается тем, что в отличие от известного роторно-поршневого двигателя, принятого за прототип, согласно изобретению, выходной вал двигателя размещен по центру цилиндрического корпуса с установленными на нем роторами, причем привод каждого ротора расположен вне цилиндрического корпуса, а механизм соединения ротора с выходным валом выполнен в виде двухзвенного подвеса с шатуном, шарнирно соединенного одним концом с поводком вала, а другим с приводом ротора, при этом шатун шарнирно подсоединен к середине подвеса и опирается на эксцентрик, укрепленный на выходном валу двигателя и имеющий автономный привод.

Совокупность заявленных признаков позволяет получить объекту (роторно-поршневому двигателю) новый технический результат, заключающийся в следующем:
изменяется величина и характеристика результирующего крутящего момента на выходном валу двигателя (моменты от роторов складываются),
объем камеры сгорания незначительно меняется от угла поворота выходного вала,
повышается мощность и надежность двигателя, т.к. элементы привода роторов работают только на сжатие и растяжение и имеют простые шарнирные соединения.

На фиг. 1 изображена общая компоновка двигателя (привод второго ротора не показан, т.к. он аналогичен); на фиг. 2 компоновка подетально (за исключением эксцентрика и редуктора); на фиг. 3а, б, в схема положения частей привода и соответствующие им положения роторов, на фиг. 4а, б, в, г - конфигурация привода, соответствующее ему положение ротора и фазы газораспределения;
Роторно-поршневой двигатель содержит (фиг. 1, 2) выходной вал 1, проходящий через центр цилиндрического корпуса 2, в котором расположены впускное и выпускное окна (не обозначено). На валу 1 свободно посажен привод 3 ротора 4, который входит внутрь корпуса 2, и на нем зафиксирован ротор 4. На валу 1 двигателя зафиксирован поводок вала 5. 2-х звенный подвес 6 связан шарнирно одним концом с приводом 3 ротора 4, другим концом шарнирно связан с поводком вала 5. Средней частью подвес шарнирно связан с шатуном 7, который опирается на эксцентрик 8. Эксцентрик 8 с шестерней свободно насажен на выходной вал 1 и имеет привод в виде гипоидной передачи 9 (показана на фиг. 1), или блока цилиндрических шестерней от выходного вала 1.

Эксцентрик 8 за счет привода получает вращение от выходного вала в противоположную ему сторону с той же угловой скоростью. При постоянной скорости вращения выходного вала 1 и соответственно эксцентрика 8 за счет шатуна 7 будет изменяться конфигурация подвеса 6. Это вызовет плавное изменение угла между поводком вала 5 и приводом 3 ротора 4. Тем самым достигается переменная скорость вращения ротора 4. Поводки вала 5 и соответственно эксцентрики 8 для каждого привода 3 ротора 4 сдвинуты друг относительно друга на 90^o. Это заставляет изменяться угловую скорость роторов 4 в противофазе и концы роторов отсекают изменяющиеся объемы. Так роторы максимально сходятся в момент, когда один шатун 7 максимально выдвинут (фиг. 4а), а другой максимально вжат к валу двигателя (фиг. 4в). Что соответствует минимальному объему, т.е. объему камеры сгорания. В этот момент роторы имеют одинаковую скорость вращения и она незначительно изменяется от угла поворота выходного вала. Т. е. происходит незначительное изменение объема камеры сгорания от угла поворота выходного вала, что соответствует изменению объема вблизи В. М. Т. обыкновенного поршневого двигателя. После чего один ротор (фиг. 4б) замедляется, а другой ускоряется, происходит рабочий ход. Одновременно с этим между другими концами роторов происходят остальные циклы работы двигателя. Двигатель работает по 4-х тактному циклу, и за один оборот выходного вала происходит 4 рабочих хода (см. фиг. 4а, б, в, г). По схеме камера сгорания складывается из двух половин, а угловые размеры роторов позволяют создать оптимальную форму камеры сгорания.

Работа двигателя поясняется на фиг. 3, 4. На них обозначено: т. А - шарнирное соединение поводка вала 5 с подвесом 6. ОА поводок вала 5. АС, CB 2-х звенный подвес 6. т. B шарнирное соединение подвеса 6 с приводом 3 ротора 4. CD шатун 7. ДО эксцентрик 8. Для объяснения работы двигателя нужно показать взаимодействие 2-х роторов, поэтому на фиг. 4а, б, в, г один ротор (заштрихованный) обозначен А и для него показана конфигурация привода, другой обозначен B, привод для него сдвинут на 90^o, т.е. его конфигурация привода показана на фиг. 4 соответственно через 90^o.

Работа двигателя заключается в следующем: при сгорании рабочей смеси газ давит на роторы с одинаковой силой, т.к. боковые поверхности роторов одинаковы, но в разные стороны. В положении роторов на фиг. 3б, 4в. на ротор А действует сила, направленная по часовой стрелке. Она создает крутящий момент, который через привод ротора т. B, через разложенный подвес BC, CA (тупой угол BCA), через поводок вала OA т. А передается на выходной вал т. О. Возникающая при этом сила, направленная по шатуну CD на сложение подвеса от центра О к т. С, незначительна (разложение сил в т. С) и проходит через центр вала т.к. эксцентрик OD стоит в линию с шатуном CD. Эта сила компенсируется подшипником эксцентрика OD (необходимость угла α на фиг. 3б будет пояснена ниже). При дальнейшем повороте вала и соответственно эксцентрика OD, он уходит с линии шатуна CD и сила, направленная на сложение подвеса, создаст на эксцентрике OD крутящий момент, который через привод эксцентрика передастся на выходной вал и сложится с моментом от ротора A. В это же время на другой ротор B (фиг. 3а), 4а будет действовать такая же сила, но против часовой стрелки. Она вызовет на приводе ротора т. B крутящий момент, направленный против часовой стрелки. На поводке вала OA т. A будет крутящий момент от ротора A, направленный по часовой стрелке. Два эти момента, приложенные к сложенному подвесу BC, CA (острый угол BCA), шатун максимально выдвинут и стоит в линию с эксцентриком CD, OD (необходимость угла g будет пояснена ниже), вызовут значительную силу, разложение сил в т. С, направленную по оси шатуна CD к центру т. О, которая не вызовет крутящего момента и будет компенсирована подшипником эксцентрика. Результирующий отрицательный крутящий момент, вызванный неравенством моментов в т. B и т. A и приложенный к т. A меньше момента от первого ротора A. При дальнейшем повороте вала и эксцентрика (фиг. 4б), эксцентрик уйдет с линии шатуна, сила направленная по шатуну к центру создаст на эксцентрике крутящий момент, который через привод эксцентрика приложится к выходному валу и сложится с моментом от первого ротора A. Таким образом, крутящие моменты от 2-х роторов складываются на выходном валу, а не вычитаются, как у прототипа.

Особенность привода заключается в том, что крайних положений эксцентрика приводы достигают неодновременно (см. фиг. 3а, 3б). Это скажется на том, что минимальный объем будет достигаться при прохождении одним эксцентриком OD (фиг. 3а) крайнего положения (угол a), а другой при этом не доходит до крайнего положения (угол g) (фиг. 3б). При этом оба ротора имеют скорость вращения меньше скорости вращения выходного вала, и объемы, отсекаемые ими, очень мало изменяются от угла поворота выходного вала. Эти углы зависят от угловых размеров роторов, и с их уменьшением сумма углов возрастает. Схема построена для роторов с угловыми размерами в 40^o, a+γ 12,5^o. Это скажется и на симметрии роторов (см. фиг. 3в). Соотношение углов должно задаваться при проектировании двигателя. С другой стороны наличие угла a (фиг. 3а) сразу создаст положительный крутящий момент на выходном валу от ротора B, при этом сила приложенная к эксцентрику и создающая этот момент значительно больше силы на эксцентрике ротора A (фиг. 3б), создающей отрицательный крутящий момент за счет угла g.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: роторно-поршневой двигатель содержит выходной вал 1 круглого сечения, проходящий через центр корпуса 2 круглого сечения, в котором расположены впускное и выпускное окна. На валу 1 свободно посажен привод 3 ротора 4, который входит внутрь корпуса 2, и на нем зафиксирован ротор 4. На валу 1 двигателя зафиксирован поводок 5. Двухзвенный подвес 6 связан шарнирно одним концом с приводом 3 ротора 4, другим - шарнирно с поводком 5, средней частью он шарнирно связан с шатуном 7, который опирается на эксцентрик 8. Эксцентрик 8 с шестерней свободно посажен на выходной вал 1 и имеет привод в виде гипоидной передачи 9 или блока цилиндрических шестерней от выходного вала 1. При этом эксцентрик 8 получает вращение от выходного вала 1 в противоположную сторону с той же угловой скоростью. 4 ил.

Роторно-поршневой двигатель, содержащий цилиндрический корпус с установленными в нем двумя роторами, с механизмом соединения с выходным валом двигателя, отличающийся тем, что выходной вал двигателя размещен по центру цилиндрического корпуса с установленными на нем роторами, причем привод каждого ротора расположен вне цилиндрического корпуса, а механизм соединения ротора с выходным валом выполнен в виде двухзвенного подвеса с шатуном, шарнирно соединенного одним концом с поводком вала, а другим с приводом ротора, при этом шатун шарнирно подсоединен к середине подвеса и опирается на эксцентрик, укрепленный на выходном валу двигателя и имеющий автономный привод.