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

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторно-поршневым машинам, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания [1] содержащий корпус с профилированной рабочей поверхностью, торцевые крышки, цилиндрический ротор, установленный на валу и снабженный качающимися поршнями, контактирующими с профилированной рабочей поверхностью корпуса и образующими надпоршневые и подпоршневые рабочие объемы, систему газообмена, выполненную в виде впускных и выпускных окон, и свечи зажигания, а каждый поршень снабжен камерой сгорания и перепускным каналом с обратным клапаном, сообщающим камеру сгорания с подпоршневым объемом, а впускные окна и отверстия под свечи зажигания выполнены в торцевой крышке с возможностью сообщения окон с подпоршневыми объемами, а свечей с камерами сгорания.

Данное техническое решение имеет ряд недостатков:
надежность клапанно-перепускной системы;
сложность изготовления профилированной рабочей поверхности корпуса;
ненадежность шарнирно-подпружиненного соединения поршней с ротором из-за влияния температурных перепадов;
быстрый износ верхних граней поршней, так как при вращении ротора поршни под действием пружин и центробежных сил скользят по профилированной поверхности только верхними гранями.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сути и достигаемому результату является роторно-поршневой двигатель [2] содержащий цилиндрический корпус с выпускным окном и свечей зажигания, всасывающий канал, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, механизм преобразования вращения ротора с промежуточным валом, причем приводной механизм выполнен в виде муфт свободного хода, а механизм синхронизации выполнен в виде муфт обратного хода.

Недостатки этого двигателя следующие:
ненадежность, связанная с применением в устройстве муфт свободного и обратного ходов, т. к. при большой цикличности (в данном случае шесть циклов за один оборот) каждая пара муфт, а их четыре, сделает по шесть остановов, заклиниваний и, если двигатель будет делать несколько тысяч оборотов в минуту, причем с большими удельными нагрузками, то становится очевидным, что такие нагрузки ни один современный материал, пусть даже самый износостойкий, длительное время не выдержит и потребуется частая замена муфт;
сложность в эксплуатации, т.к. замена хотя бы одной муфты требует полной разработки двигателя.

Задача изобретения упрощение конструкции, увеличение удельной мощности, повышение надежности и полноты сгорания топлива.

Задача решается тем, что в роторно-поршневом двигателе, содержащем цилиндрический корпус с выпускным окном и свечой зажигания, всасывающий канал, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, механизм преобразования вращения ротора с промежуточным валом, соосные валы, один из которых (внутренний) является валом сбора мощности, а другой - ступицей зубчатого колеса, установлены один в другом, при этом на валу сбора мощности закреплена центральная втулка, имеющая всасывающую полость, соединенную с всасывающим каналом крышки корпуса, на котором размещены поршни, образующие между поршнями, размещенными на диске, установленном на ступице зубчатого колеса, и рабочей поверхностью корпуса рабочую камеру, причем механизм преобразования вращения ротора выполнен в виде редуктора, состоящего из четырех некруглых зубчатых колес, производных от эллиптических с равным значением эксцентриситета с промежуточным валом, причем два из них, находящихся в зацеплении, выполнены неполными и имеют зубцы, нарезанные на угол расхождения поршней.

На фиг. 1 показан разрез двигателя по оси; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 9 такты работы двигателя и соответственное им расположение зубчатых колес.

Двигатель содержит корпус 1 с цилиндрической рабочей поверхностью и выпускным окном "Н", свечу зажигания 2, выходящую электродами в камеру сгорания "К", вал 3 отбора мощности, вращающийся в опоре 4, установленной в крышке 5 корпуса 1 с всасывающим каналом "М", герметично закрытой крышкой 6 с уплотнением 7 к опоре 8, установленной в крышке 9 и герметично закрытой крышкой 10 с уплотнением 11. На валу 3 отбора мощности жестко закреплена центральная втулка 12 с всасывающей полостью "М₁", на которой, в свою очередь, жестко закреплены поршни 13 и 13а, зубчатое колесо 14, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 15, жестко закрепленным на промежуточном валу 16, свободно вращающимся в опорах 17 и 18, установленных одна в корпусе 1, другая в крышке 9, герметично закрытой крышкой 19. На промежуточном валу 16 перпендикулярно большой оси зубчатого колеса 15 жестко закреплено второе зубчатое колесо 20, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 21 со ступицей, свободно вращающемся на валу 3 отбора мощности в опорах 22 и 23. На ступице зубчатого колеса 21 жестко закреплен диск 24, на котором, в свою очередь, жестко закреплены поршни 25 и 25а.

Двигатель работает следующим образом.

Механизмом преобразования работы ротора является редуктор, составленный из зубчатых колес 14, 15, 20 и 21, из которых зубчатые колеса 20 и 21 - неполные. Все зубчатые колеса имеют строго равное значение эксцентриситета и могут быть эллиптическими с осью вращения в фокусах или производными, полученными из эллиптических: овальные в форме двулистника или трилистника, а также зубчатые колеса могут иметь начальные цилиндры, которые очерчены дугами логарифмических спиралей, у которых период изменения передаточного отношения за один оборот может быть равен одному, двум, трем, четырем и более (Кожевников С.Н. и др. Механизмы. Справочное пособие, с. 156, рис. 3. 27; с. 159, рис. 3. 28, 3.22, 3.33).

Зубчатые колеса 15 и 20 жестко закреплены на промежуточном валу 16, свободно вращающемся в опорах 17 и 18, следовательно, их угловые скорости равны, т.е. ω₂ = ω₃
Вращением вала 3 отбора мощности смыкают поршни 13 и 13а с поршнями 25 и 25а, производя всасывание топлива, его сжатие и воспламенение от свечи 2 зажигания. Это положение показано на фиг. 4.

Как видно из рисунка, неполное зубчатое колесо 21 находится в зацеплении с неполным зубчатым колесом 20 промежуточного вала 16 с наименьшим радиусом r₁, в то же время зубчатое колесо 15 промежуточного вала 16 находится в зацеплении с зубчатым колесом 14 внутреннего вала отбора мощности 3 тоже с наименьшим радиусом r₃ (см. фиг. 3), следовательно, при равных угловых скоростях зубчатых колес 15 и 20 промежуточного вала 16 общее передаточное число равно произведению частных передаточных отношений i₁₂ • i₃₄ r₂•r₄/r₁•r₃ как передаточное число рядового соединения с кратным зацеплением.

При воспламенении топлива газы, расширяясь, давят на рабочую поверхность поршней 13 и 25 с одинаковым усилием, но в силу принятой кинематической связи поршни 25 и 25а начнут быстро удаляться от поршней 13 и 13а, одновременно увлекая их за собой, заставляя до определенного положения все время отставать.

Это положение показано на фиг. 5, где между поршнями 13 и 25 началось расширение газов, а между поршнями 13а и 25а всасывание новой порции топлива.

Дальнейшее расширение газов продолжает вращать поршни 25 и 25а, которые в силу принятой кинематики влекут за собой и поршни 13 и 13а до тех пор, пока радиусы зубчатых колес 21 и 20 в зацеплении не станут равными. Это положение показано на фиг. 6, где между поршнями 13 и 25 произведено полное расширение газов, а между поршнями 13а и 25а полное всасывание топлива. Дальнейшее вращение всей системы до полного смыкания поршней идет уже за счет набранных инерционных сил. В этот период, опять же в силу принятой кинематической цепи, поршни 25 и 25а начнут замедлять свое вращение, т.е. уменьшать угловую скорость, а поршни 13 и 13а продолжать вращаться с набранной угловой скоростью, за счет чего начнут нагонять поршни 25 и 25а, произведя выхлоп отработанных газов через окно "Н", а с противоположной стороны сжатие топлива. При дальнейшем вращении поршни 13 и 13а догоняют поршни 25 и 25а до полного смыкания (см. фиг.7), произведя выхлоп и продувку камеры сгорания и полное сжатие топлива. Как видно из фиг. 7, вал 3 отбора мощности сделал четверть оборота и на эту же величину развернулись все зубчатые колеса, т.е. неполное зубчатое колесо 21 находится в зацеплении с неполным зубчатым колесом 20 промежуточного вала 16 наибольшим радиусом r₁ с r₂, одновременно второе зубчатое колесо 15 промежуточного вала 16 находится в зацеплении с зубчатым колесом 14 вала 3 отбора мощности тоже наибольшим радиусом r₃ с r₄. Следовательно, чтобы сохранить набранную угловую скорость валу 3 отбора мощности, который в данный момент становится ведущим, и чтобы дать ему свободу действия, зубчатые колеса 21 и 20 сделаны неполными на угол полного расхождения поршней и при дальнейшем вращении выходят из зацепления, освобождая вал 3 отбора мощности.

С сомкнутыми поршнями вся система разворачивается на 90^o (фиг.8). Здесь вновь происходит воспламенение топливной смеси и термодинамические процессы повторяются, создавая новый импульс валу 3 отбора мощности. За один оборот вала 3 отбора мощности при принятом механизме с двулистниковыми зубчатыми колесами произойдет два полных цикла.

Условия работы двигателя.

Приведенная схема действия по условию P₁ P₂ P, в силу принятой конструкции двигателя, в момент воспламенения топливной смеси будет иметь вид:

откуда можно сделать вывод: чем больше (в конструктивных пределах) разность R₂ R₁, тем устойчивее будет работа двигателя.

Таким образом, благодаря разработанному механизму, осуществляющему периодическое измерение угловой скорости диска, на котором жестко закреплены поршни, изменяющие межпоршневое пространство между поршнями, вращающимися с постоянной угловой скоростью, осуществляются термодинамические процессы.

При вращении ротора поступившее в рабочее пространство топливо за счет разряжения и центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса и лучше перемешивается с воздухом, располагаясь как бы слоями более тяжелые ближе к стенкам, более легкие дальше. При таком смесеобразовании в камере сгорания ротора к моменту подачи искры свечой зажигания может образоваться расслоенный заряд, что способствует более полному сгоранию топлива, а это, в свою очередь, понизит токсичность выхлопных газов, повысит удельную мощность двигателя, даст возможность уменьшить расход топлива.

За счет формы зубчатых колес заявляемого двигателя становится возможным за один оборот вала отбора мощности получить от двух до четырех и более циклов, что также дает увеличение мощности.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в предлагаемом роторно-поршневом двигателе соосные валы установлены один в другом. Внутренний вал является валом 3 отбора мощности, а наружный - ступицей зубчатого колеса 21. Поршни 13 и 13а, размещенные на центральной втулке 12, закрепленной на валу 3 отбора мощности, образуют между поршнями 25 и 25а, размещенными на диске 24, установленном на ступице зубчатого колеса 21, и рабочей поверхностью корпуса 1 рабочие камеры. Механизм преобразования вращения ротора выполнен в виде редуктора, состоящего из четырех некруглых зубчатых колес, причем два из них, находящиеся в зацеплении, выполнены неполными и имеют зубцы, нарезанные на угол расхождения поршней. 9 ил.

Роторно-поршневой двигатель, содержащий цилиндрический корпус с выпускным окном и свечой зажигания, всасывающий канал, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, механизм преобразования вращения ротора с промежуточным валом, отличающийся тем, что соосные валы, один из которых, внутренний, является валом отбора мощности, а другой - ступицей зубчатого колеса, установлены один в другом, при этом на валу отбора мощности закреплена центральная втулка, которая имеет всасывающую полость, соединенную с всасывающим каналом крышки корпуса, и на которой размещены поршни, образующие между поршнями, размещенными на диске, который установлен на ступице зубчатого колеса, и рабочей поверхностью корпуса рабочие камеры, причем механизм преобразования вращения ротора выполнен в виде редуктора, состоящего из четырех некруглых зубчатых колес, производимых от эллиптических с равным значением эксцентриситета с промежуточным валом, причем два из них, находящиеся в зацеплении, выполнены неполными и имеют зубцы, нарезанные на угол расхождения поршней.