РУССКИЙ РОТОР ВЕСЕЛОВСКОГО "РРВ" Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания с планетарным движением ротора-поршня.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с планетарным движением ротора, запатентованный немецким изобретателем Феликсом Ванкелем (Н.С.Ханин, С.Чистозвонов. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. М. Машгиз, 1964).

Известный двигатель содержит статор, рабочая полость которого очерчена двумя сопряженными эпитрохоидами, и трехгранный ротор-поршень с выпуклыми гранями, очерченными дугами окружностей.

При работе двигателя ротор-поршень, вращаясь вокруг собственной оси, одновременно обкатывается вокруг неподвижного закрепленного на статоре зубчатого колеса, сцепляясь с ним внутри зубчатым венцом. Передаточное отношение зубчатого зацепления выбрано с таким расчетом, что за один оборот вокруг своей оси ротор-поршень совершает три обкатывания вокруг неподвижного зубчатого колеса. Со стороны, противоположной зубчатому венцу, ротор свободно насажен на эксцентрик вала, ось которого совпадает с осью зубчатого венца. Угловая скорость вращения вала равна скорости обкатывания ротора-поршня, поэтому за один оборот ротора-поршня вокруг своей оси вал совершает три оборота. При вращении ротора-поршня вершины его углов, снабженные пластинчатыми уплотнительными элементами, непрерывно соприкасаются со стенками статора и таким образом делят рабочий объем на три подвижные изолированные камеры переменного объема, в которых последовательно протекают процессы полного четырехтактного цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. В статоре имеются два окна: впускное и выпускное и одна свеча зажигания, которая последовательно осуществляет воспламенение рабочей смеси во всех камерах двигателя.

Известный роторно-поршневой двигатель Ф.Ванкеля имеет следующие недостатки.

1. Большая скорость скольжения уплотняющих элементов, размещенных на вершинах трехгранного ротора-поршня, по неподвижным эпитрохоидным поверхностям рабочей полости статора и, как следствие этого, повышенный износ рабочей полости и уплотняющих элементов.

2. Высокая температурная напряженность уплотняющих элементов, находящихся под непосредственным воздействием горячих газов, из-за недостаточно эффективного охлаждения заостренных вершин ротора-поршня.

3. Утечка рабочей смеси из одной камеры в другую при прохождении кромки ротора-поршня над углублением в рабочей полости для свечи зажигания.

4. При положении ротора-поршня, соответствующем концу такта выпуска и началу такта впуска, в одном из рабочих объемов впускное и выпускное окна довольно продолжительное время сообщаются между собой. При этом несгоревшая бензовоздушная смесь попадает в выпускную трубу или к этой смеси добавляется большое количество выхлопных газов, что в значительной мере снижает КПД двигателя, увеличивает расход топлива и ухудшает пусковые качества двигателя.

5. Синхронизация движения ротора-поршня в статоре осуществляется посредством зубчатых колес, составляющих совместно с эксцентриком вала планетарную зубчатую передачу разомкнутого типа, где эксцентрик вала является водилом, внутризубчатый венец ротора-поршня является сателлитом и закрепленное на статоре цилиндрическое зубчатое колесо опорным солнечным колесом. При таком конструктивном исполнении механизма синхронизации зубчатые колеса определяют взаимное расположение ротора-поршня и статора относительно друг друга. Угловое положение вала, на эксцентрике которого шарнирно насажен ротор-поршень, в большой мере зависит от зазоров в сопряжении вал-ротор и в зубчатом зацеплении синхронизирующих колес. Увеличение этих зазоров, например, от износа или неточности изготовления приводит к большой неравномерности вращения вала двигателя и к увеличению ударных нагрузок в моменты начала и конца такта рабочего хода на зубцы синхронизирующих колес и на сопряжение вал-ротор, т. е. способствует прогрессирующему износу наиболее нагруженных частей двигателя.

Более близким к предлагаемому изобретению техническим решением, принятым за прототип, является конструкция роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Известный роторно-поршневой двигатель содержит статор, эксцентриковый вал и установленный на нем ротор-поршень, выполненный по трохоиде, в частности по эпитрохоиде, с четным n числом выступов, расположенную в статоре рабочую камеру, выполненную по огибающей эпитрохоиды с нечетным n+1 числом рабочих полостей, разделенных между собой пластинчатыми уплотнительными элементами, впускной и выпускной коллекторы, расположенные в боковых стенках статора, впускные и выпускные окна, выполненные на рабочей поверхности четных выступов ротора, соединенные каналами с впускным и выпускным коллекторами.

При работе двигателя ротор-поршень, совершая планетарное движение и вращаясь при этом вокруг собственной оси, совершает обкатывание закрепленным на нем цилиндрическим зубчатым колесом по неподвижному закрепленному на статоре зубчатому колесу внутреннего зацепления.

Принятый за прототип роторно-поршевой двигатель имеет следующие недостатки.

1. У двигателя при массивном роторе мала жесткость эксцентрично расположенной утонченной шейки вала, на которой вращается ротор, что является источником недостаточной надежности конструкции.

2. Для посадки ротора на утонченную шейку вала ротор-поршень и связанные с ним малые синхронизирующие зубчатые колеса конструктивно должны быть выполнены разъемными, что значительно усложняет конструкцию, технологию изготовления и сборки двигателя, снижает надежность его работы.

3. При принятом в прототипе профилировании ротора-поршня и внутренней рабочей поверхности статора имеет место большая неравномерность изменения рабочих объемом камер сгорания, сопровождающаяся при работе двигателя резко неравномерной пульсирующей нагрузкой на вал, что является причиной возникновения вибраций, увеличивает износ, а также требует применения более тяжелого маховика, что в свою очередь снижает динамические качества двигателя.

4. Синхронизация движения ротора-поршня в статоре осуществляется посредством зубчатых колес, составляющих совместно с эксцентриком вала, планетарную зубчатую передачу разомкнутого типа, где эксцентрик вала является водилом, цилиндрическое зубчатое колесо, закрепленное на роторе-поршне, является сателлитом, и внутризубчатое колесо, закрепленное на статоре, - опорным солнечным колесом. При таком конструктивном выполнении механизма синхронизации зубчатые колеса определяют взаимное расположение ротора-поршня и статора относительно друг друга. Угловое положение вала, на эксцентрике которого шарнирно насажен ротор-поршень, в большой мере зависит от зазоров в сопряжении вал-ротор и в зубчатом зацеплении синхронизирующих колес. Увеличение этих зазоров, например, от износа или неточности изготовления, как и в двигателе Ф.Ванкеля, приводит к увеличению неравномерности вращения вала двигателя и, как следствие этого, к увеличению ударных нагрузок в зубчатом зацеплении и в сопряжении вал-ротор.

Решаемая техническая задача состоит в том, чтобы создать роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания простой по конструкции и технологии изготовления, более надежный в работе, с повышенной динамичностью и более высоким коэффициентом полезного действия.

Предлагаемый роторно-поршневой двигатель содержит статор с трехэлементной рабочей полостью, выполненной в виде равностороннего треугольника со скругленными углами, соосный со статором вал с эксцентриком, шарнирно установленный на эксцентрик вала очерченный по эллипсу ротор-поршень, образующий с внутренней полостью статора три рабочие камеры переменного объема, разделенные пластинчатыми уплотнительными элементами, впускной и выпускной коллекторы в боковых стенках статора, впускные и выпускные окна и каналы в роторе-поршне, соединенные с впускным и выпускным коллекторами, синхронизирующий зубчатый механизм кинематической связи ротора с валом, выполненный в виде замкнутой планетарной передачи с передаточным отношением i=-2, где эксцентрик вала является водилом, внутризубчатый венец, выполненный на роторе-поршне, является сателлитом, и установленное шарнирно с возможностью вращения вокруг общей с валом оси зубчатое колесо солнечным колесом, которое объединено в блок с коническим зубчатым колесом, соединенным через промежуточное коническое зубчатое колесо, шарнирно установленное в статоре, с коническим зубчатым колесом, закрепленным на валу. Таким образом, ротор-поршень с валом соединен не только посредством эксцентрика, но и через дополнительную кинематическую связь, выполненную в виде системы находящихся в зацеплении между собой, а также с ротором и валом зубчатых колес.

Такое конструктивное выполнение механизма синхронизации полностью определяет взаимное угловое расположение статора, ротора-поршня и вала и, кроме того, при работе двигателя снижает ударные нагрузки и более равномерно распределяет их в зацеплениях зубчатых колес.

Механизм синхронизации может быть выполнен без конических зубчатых колес на одних цилиндрических. Необходимым условием при этом остается сохранение передаточного отношения i=-2, т.е. при повороте ротора-поршня вокруг своей оси на один оборот вал должен повернуться на два оборота, но в противоположном направлении.

Принятое в заявленном двигателе профилирование рабочей полости статора в виде равностороннего треугольника со скругленными углами значительно упрощает конструкцию и технологию изготовления и может быть выполнено на универсальном оборудовании.

Ротор-поршень заявленного двигателя очерчен по эллипсу. Такое профилирование ротора-поршня имеет ряд преимуществ, например, постоянство знака радиуса кривизны профиля, уменьшенную протяженность профиля при данной массе ротора-поршня. Указанные преимущества существенно влияют на повышение надежности работы и улучшение динамических качества двигателя.

В заявленном двигателе вал имеет достаточную прочность и жесткость, так как в среднем наиболее нагруженной части не имеет утончения, что повышает надежность работы конструкции.

Принятое в заявленном двигателе профилирование статора и ротора-поршня в сочетании с механизмом синхронизации позволило добиться более плавного изменения рабочих объемов камер сгорания, что снижает вибрационные нагрузки, повышает надежность работы двигателя и его динамические качества, так как дает возможность применить более легкий маховик, повышает коэффициент полезного действия двигателя.

На фиг. 1 изображен заявленный роторно-поршневой двигатель, поперечный разрез; на фиг. 2 то же, продольный разрез.

Двигатель содержит статор 1, эксцентриковый вал 2, очерченный по эллипсу и установленный на эксцентрик вала 2 ротор-поршень 3, рабочую камеру, расположенную в статоре 1 и имеющую три рабочие полости 4, 5 и 6, установленные в рабочих полостях свечи зажигания 7, пластинчатые уплотнительные элементы 8, разделяющие рабочие полости 4, 5 и 6, пружины 9, поджимающие уплотнительные элементы 8 к эллипсной поверхности ротора-поршня 3, синхронизирующие зубчатые колеса, включающие внутризубчатый венец 10, выполненный на роторе-поршне 3, соосный с валом 2 зубчатый блок 11, промежуточное шарнирно установленное в статоре коническое зубчатое колесо 12, закрепленное на валу 2 коническое зубчатое колесо 13, впускной 14 и выпускной 15 коллекторы, расположенные в боковых стенках 16 и 17 статора, впускные 18 и выпускные 19 каналы в роторе-поршне 3, сообщающиеся с впускным 14 и выпускным 15 коллекторами посредством окон 20 в боковых стенках 16 и 17 статора.

Для экспериментальной отработки опытного образца спроектирован роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания со следующими конструктивными параметрами.

Большой диаметр эллипса ротора-поршня d_б=176 мм.

Малый диаметр эллипса ротора-поршня d_м=140 мм.

Модуль зубчатых колес механизма синхронизации m=2 мм.

Число зубцов внутризубчатого венца ротора-поршня Z=36.

Число зубцов конического венца соосного с валом зубчатого блока Z=46.

Число зубцов промежуточного конического колеса Z=26.

Число зубцов колеса, закрепленного на валу Z=46.

Диаметр выходных концов вала d=30 мм.

Мощность двигателя при числе оборотов вала 5000 об/мин N=60 л.с.

В положении, изображенном на фиг. 1, при вращении ротора-поршня 3 в направлении стрелки 21 в рабочей полости 4 закончился такт сжатия, рабочая полость 5 заполняется свежей горючей смесью, в рабочей полости 6 осуществляется такт выпуска отработавших газов.

При дальнейшем вращении ротора-поршня 3 в рабочей полости 4 будет осуществляться рабочий ход, затем такт выпуска отработавших газов, заполнение свежей горючей смесью, сжатие ее, поджиг и вновь рабочий ход.

Подобный процесс осуществляется и в двух других рабочих полостях 5 и 6, но со сдвигом во времени, соответствующем повороту ротора-поршня 3 на угол 120^o и 240^o, при этом вал 2 вращается в направлении стрелки 22.

Отбор мощности двигателя осуществляется с эксцентрикового вала 2 и с вала промежуточного зубчатого колеса 12, вращение которого может быть использовано для привода распределителя зажигания, генератора и других дополнительных устройств, которыми обычно комплектуется двигатель внутреннего сгорания.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит статор 1 с трехэлементной рабочей полостью, выполненной в виде равностороннего треугольника со скругленными углами, соосный со статором эксцентриковый вал 2, шарнирно установленный на эксцентрик вала 2 эллипсный ротор-поршень 3, образующий со статором три рабочие камеры 4,5,6, переменного объема разделенные подпружиненными пластинчатыми уплотнительными элементами 8, впускной 14 и выпускной 15 коллекторы в боковых стенках 16, 17 статора, соединенные с коллекторами впускные и выпускные окна 3 и каналы 18, 19 в роторе-поршне 20, синхронизирующий зубчатый механизм 11 кинематической связи ротора-поршня 3 с валом 2, выполненный в виде замкнутой планетарной зубчатой передачи с передаточным отношением i = -2. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с трехвершинной рабочей полостью и боковыми стенками, эксцентриковый вал, установленный соосно в полости корпуса, силовой механизм с синхронизирующей зубчатой передачей, эллипсный ротор-поршень, размещенный в полости на эксцентрике эксцентрикового вала шарнирно с возможностью образования с ее поверхностью трех переменных объемов и систему газообмена, выполненную в виде расположенных с возможностью сообщения в корпусе и ротор-поршне впускных и выпускных каналов и газораспределительных окон, причем впускные и выпускные каналы выполнены в его боковых стенках с образованием соответственно впускного и выпускного коллекторов, отличающийся тем, что силовой механизм выполнен в виде замкнутой планетарной передачи с передаточным отношением 1 -2, а синхронизирующая зубчатая передача снабжена шарнирной втулкой и включает размещенный на роторе-поршне жестко цилиндрический венец внутреннего зацепления и систему зубчатых колес внешнего закрепления, причем шарнирная втулка установлена соосно на эксцентриковом валу, одно из зубчатых колес синхронизирующей передачи выполнено цилиндрическим, жестко установлено на одном конце втулки и кинематически связано с венцом внутреннего зацепления ротора-поршня, второе зубчатое колесо выполнено коническим, жестко установлено на другом конце втулки, третье зубчатое колесо выполнено коническим и жестко связано с эксцентриковым валом, второе и третье колеса кинематически связаны между собой четвертым зубчатым колесом, шарнирно установленным в корпусе. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что передаточное отношение цилиндрических колес равно 1 4/3, а конических 1 1/1. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение рабочей полости корпуса выполнено в виде равностороннего треугольника, стороны которого сопряжены дугами окружностей.