РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B75/22 F02B53/04 

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания для использования, преимущественно, в автомобильной и тракторной технике.

Известны роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания двигатели Ванкеля (см. Ханин Н.С. и Чистозвонов С.Б. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. Машгиз, 1964; Бениович В.С. и др. Ротопоршневые двигатели. Машиностроение. 1968; Большая советская энциклопедия. Том 4, третье издание, 1971, с. 855 "Ванкеля двигатель". Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина. 1990 г., с. 264), в которых отсутствует специальный механизм газораспределения, что упрощает конструкцию двигателя.

В роторно-поршневых двигателях Ванкеля функции поршня по передаче движения рабочего тела движущимся частям выполняет ротор, который размещен в цилиндрическом корпусе с внутренней поверхностью, выполненной по эпитрохоиде.

Установленный на проходящем через торцы корпуса эксцентриковом рабочем валу ротор жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объемы камер в цилиндре. Такая конструкция позволяет осуществить четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к внутренней поверхности цилиндра центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Системы питания, зажигания, смазки, охлаждения как у обычного поршневого двигателя.

В роторно-поршневых двигателях (РПД) Ванкеля контакт поверхностей уплотнительных пластин с эпитрохоидной поверхностью корпуса происходит по линии, что обусловливает большие контактные нагрузки. Поэтому поверхности уплотнений и корпуса двигателя быстро изнашиваются и моторесурс РПД меньше моторесурса обычного поршневого двигателя. Кроме того, в РПД имеют место повышенные утечки газа из камер сгорания.

Относительно меньший моторесурс и повышенные утечки газа являются основными недостатками РПД.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с радиальным перемещением поршней по патенту США N 3964450, кл. F 02 B 75/22, 1973 г.

Роторно-поршневой двигатель по патенту США N 3964450 содержит корпус в виде оболочки с закрытыми торцами, пустотелый рабочий вал с впускными и выпускными отверстиями газораспределения. С рабочим валом жестко соединены своими торцевыми поверхностями равномерно по окружности цилиндрические гильзы, при этом впускные и выпускные отверстия цилиндрических гильз совпадают с соответствующими отверстиями на рабочем валу, а в цилиндрических гильзах размещены поршни с уплотнительными кольцами. Поршни жестко соединены с проходящими через направляющие втулки штоками, которые другим концом соединены каждый со своим механизмом, имеющим возможность перемещаться в расположенных на внутренней поверхности корпуса кольцах. Внутри рабочего вала расположены вал системы газораспределения с впускными и выпускными отверстиями, выполненными в одной плоскости с соответствующими отверстиями рабочего вала и объединенными внутри вала в систему впускных и выпускных каналов с выходом на противоположные торцы вала системы газораспределения.

В РПД по патенту США исключаются повышенные утечки газа, так как поршневые группы в нем содержат цилиндрические гильзы, в которых размещены поршни с уплотнительными кольцами.

РПД внутреннего сгорания по патенту США N 3964450 принят в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению.

В РПД по патенту США N 3964450 ротором является корпус, закрепленный на валу системы газораспределения. Для закрытия его в условиях эксплуатации и установки подшипников для вала газораспределения требуется дополнительный неподвижный корпус или защитный кожух, что усложняет конструкцию и увеличивает габаритные размеры двигателя. Пустотелый рабочий вал расположен внутри неподвижного блока цилиндров и не проходит через торцы корпуса. Фигурные кольца переменного радиуса на внутренней поверхности корпуса, в которых расположены соединенные со штоками поршней кулачковые механизмы, имеют крутые линии подъема, что вызывает высокие нагрузки на кулачковые механизмы и штоки и последующий их износ при четырехкратном нагружении за каждый оборот.

Заявленное изобретение решает задачи упрощения конструкции РПД, уменьшения габаритных размеров его и повышения меторесурса.

Решение указанных задач достигается тем, что в РПД, содержащем вышеуказанные признаки патента США N 3964450, корпус двигателя выполнен неподвижным. Рабочий вал проходит через торцы корпуса, составляя вместе с цилиндрическими гильзами, поршнями, штоками вращающуюся часть двигателя - ротор. Причем рабочий вал расположен в корпусе двигателя эксцентрично, что вместе с выполненными по окружности кольцами на внутренней поверхности корпуса обеспечивает радиальное перемещение поршней и четырехтактную работу двигателя, причем один рабочий ход совершается за 2 оборота. Цилиндрические гильзы расположены по окружности по одной или по две со смещением каждой последующей гильзы вдоль рабочего вала. Вал системы газораспределения соединен с рабочим валом системой передач, обеспечивающей вращение в одном с ним направлении с соотношением количества оборотов вала системы газораспределения и рабочего вала 1:2.

Для повышения технологичности изготовления и сборки двигателя рабочий вал может быть выполнен из отдельных частей, соединенных друг с другом, а цилиндрические гильзы выполнены заодно с рабочим валом или его частями.

Для обеспечения герметичности трущихся поверхностей соприкосновения рабочего вала и вала системы газораспределения, на последнем могут быть расположены конические поджимаемые вдоль оси вала втулки, соприкасающиеся с внутренними коническими поверхностями рабочего пустотелого вала, причем на втулках выполнены отверстия, совпадающие с впускными и выпускными отверстиями вала системы газораспределения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен продольный разрез РПД, на фиг.2 - разрез А-А фигуры 1, на фиг.3 - сечение Б-Б фигуры 1, на фиг.4 - сечение В-В фигуры 1, на фиг.5 - вариант сборки рабочего вала с валом системы газораспределения.

РПД содержит корпус 1 в виде оболочки с закрытыми торцами 2 и 3, через которые проходит со смещением относительно оси оболочки пустотелый рабочий вал 4 с впускными 5 и выпускными 6 отверстиями системы газораспределения. На рабочем валу 4 расположены равномерно по окружности гильзы 7, которые торцевой поверхностью соединены с рабочим валом 4, при этом каждая последующая гильза смещена вдоль оси вала. На торцевой поверхности гильзы 7 расположены впускные и выпускные отверстия, которые совпадают с соответствующими отверстиями 5 и 6 на рабочем валу. В гильзах расположены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни 8 с уплотнительными кольцами, причем поршни соединены со штоками 9, проходящими через направляющие втулки 10, расположенные на противоположном торце гильзы. Штоки 9 другим концом шарнирно соединены каждый со своим кольцом или кареткой 11, имеющими возможность вращаться в неподвижных кольцах 12, расположенных на внутренней поверхности оболочки корпуса 1. В случае применения кареток неподвижные кольца могут иметь в сечении швелерообразную форму. Внутри рабочего вала 4 расположен с возможностью вращения вал 13 системы газораспределения с впускными 14 и выпускными 15 отверстиями, выполненными в одной плоскости с соответствующими отверстиями 5 и 6 рабочего вала и объединенными внутри вала в систему впускных и выпускных каналов с выходом на противоположные торцы вала 13 системы газораспределения. Впускной патрубок 16 соединен с впускными каналами вала 13, а выпускной патрубок 17 - с выпускными каналами.

Система шестеренчатых передач 18 обеспечивает через промежуточную пару шестерен вращение вала 13 системы газораспределения в одном направлении с рабочим валом 4 с соотношением количества оборотов 1:2.

На фиг. 1 также показаны: муфта оцепления 19, передний подшипник 20 и задний подшипник 21 рабочего вала 4. В трехцилиндровых двигателях могут устанавливаться как подшипники качения, так и подшипники скольжения. В четырех и более цилиндровых двигателях более приемлемы подшипники скольжения в виде вкладышей. Рабочий вал 4 содержит уплотнительные сальники 22 и 23. Впускной патрубок 16 содержит уплотнение 24, а выпускной патрубок 17 - уплотнение 25. С впускным патрубком соединен карбюратор 26. Система зажигания и пуска содержит свечи 27, провода высокого напряжения 28 с наконечниками 29, генератор 30, прерыватель 31, стартер 32. Распределение тока высокого напряжения происходит при вращении рабочего вала 4 набеганием наконечников 29 на контакт прерывателя 31. Привод прерывателя 31 осуществляется от переднего торца вала 13 системы газораспределения, например, через пару шестерен.

Вентилятор 33 и воздушные полости 34 оболочки корпуса 1 входят в систему воздушного охлаждения. Может быть применена система жидкостного охлаждения.

При необходимости, охлаждение свечей зажигания 27 может быть обеспечено вентилятором 33 через воздушные каналы. При этом входные каналы холодного воздуха выходят за передний торец рабочего вала 4, а выходные каналы выполнены короче с выходом в зону разрежения, создаваемую вентилятором 33.

Смазка трущихся частей, расположенных внутри корпуса 1, осуществляется в трехцилиндровых двигателях разбрызгиванием. В четырех и более цилиндровых двигателях применяется масляный насос для смазки под давлением подшипников скольжения, а также масляный радиатор для охлаждения смазочного масла.

Звездообразное расположение цилиндров позволяет устанавливать их с частичным перекрытием соседних цилиндров вдоль оси двигателя, что уменьшает длину рабочего вала 4. Так как рабочий вал трубчатой формы увеличенного диаметра имеет более высокую прочность, чем не трубчатый вал меньшего диаметра, то промежуточные подшипники при количестве цилиндров 4 и более могут быть установлены через 2 - 3 цилиндра. Снижению нагрузки на рабочий вал 4 способствует также звездообразное расположение цилиндров.

На фиг.5 показаны конические втулки 35, поджимаемые ленточной зигзагообразной пружиной 36 для обеспечения герметичности трущихся частей рабочего вала 4 и вала системы газораспределения 13. Шпонка 37 исключает проворачивание втулки 35 и позволяет ее осевое перемещение.

Для динамического уравновешивания эксцентрично вращающихся масс поршней, штоков и других деталей на внутренних поверхностях торцов 2 и 3 эксцентрично расположены неподвижные кольца 38, причем центр их смещен в сторону, противоположную эксцентричности неподвижных колец 12.

На рабочем валу 4 в местах расположения первой и последней гильз 7 равномерно по окружности расположены направляющие втулки-цилиндры 39 в количестве с каждой стороны равном количеству гильз в двигателе при нечетном их количестве и половине гильз в двигателе при четном их количестве, причем втулки-цилиндры расположены диаметрально противоположно гильзам.

Во втулки-цилиндры вложены с возможностью возвратно-поступательного движения грузы 40, внешние торцы которых шарнирно соединены с подвижным кольцом 41, имеющим возможность вращаться в неподвижных кольцах 38.

Масса двух параллельных грузов 40, расположенных на переднем 2 и заднем 3 торцах и уравновешивающих соответствующий поршень или поршни с деталями, должна быть обратно пропорциональна радиусу центра масс уравновешиваемых поршней с деталями и радиусу центра масс грузов.

Для обеспечения равномерности импульсов крутящего момента наиболее рационально применение 3, 5 и 9 - цилиндрических двигателей, в которых гильзы расположены равномерно по окружности по одной через 120^o, 72^o и 40^o соответственно.

Равенство интервалов между вспышками обеспечивается при углах поворота рабочего вала:
для 3-цилиндровых двигателей 720^o:3 240^o,
для 5-цилиндровых двигателей 720^o:5=144^o,
для 9-цилиндровых двигателей 720^o:9=80^o.

Для обеспечения равномерности импульсов крутящего момента 4, 6, 8, 10 и 12-цилиндровых двигателей необходимо располагать по 2 гильзы в каждой продольной плоскости через 180^o, 120^o, 90^o, 72^o, 60^o соответственно. Равенство интервалов между вспышками обеспечивается при углах поворота рабочего вала:
для 4-цилиндровых двигателей 720^o:4=180^o;
для 6-цилиндровых двигателей 720^o:6=120^o;
для 8-цилиндровых двигателей 720^o:8=90^o;
для 10-цилиндровых двигателей 720^o:10=72^o;
для 12-цилиндровых двигателей 720^o:12=60^o.

Для разработки двигателя корпус 1 имеет горизонтальный разъем на две части. После съема верхней части корпуса открывается доступ к узлам и деталям, расположенным внутри корпуса.

Двигатель предназначен для использования в автомобилях и тракторах. Рабочий вал (4) двигателя проходит через торцы неподвижного корпуса (1) и составляет вместе с цилиндрическими гильзами (7), поршнями 8 и штоками (9) вращающуюся часть двигателя - ротор. Вал (4) расположен в корпусе (1) эксцентрично, что обеспечивает радиальное перемещение поршней и четырехтактную работу двигателя. Гильзы (7) расположены по окружности по одной или по две со смещением каждой последующей вдоль вала. Вал (13) системы газораспределения соединен с рабочим валом (4) системой передач, обеспечивающей вращение в одном с ним направлении с соотношением количества оборотов вала (13) и вала (4) 1:2. Такое выполнение двигателя упрощает его конструкцию, уменьшает габариты и повышает моторесурс. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

\ \ \ 1 1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус в виде оболочки с закрытыми торцами, пустотелый рабочий вал с впускными и выпускными отверстиями газораспределения, с рабочим валом жестко соединены своими торцевыми поверхностями равномерно по окружности цилиндрические гильзы, при этом впускные и выпускные отверстия цилиндрических гильз совпадают с соответствующими отверстиями на рабочем валу, а в цилиндрических гильзах размещены поршни с уплотнительными кольцами, причем поршни жестко соединены с проходящими через направляющие втулки штоками, которые другим концом соединены каждый со своим механизмом, имеющим возможность перемещаться в расположенных на внутренней поверхности корпуса кольцах, внутри рабочего вала расположен вал системы газораспределения с впускными и выпускными отверстиями, выполненными в одной плоскости с соответствующими отверстиями рабочего вала и объединенными внутри вала в систему впускных и выпускных каналов с выходом на противоположные торцы вала системы газораспределения, отличающийся тем, что рабочий вал проходит через торцы корпуса и расположен эксцентрично, ротор включает в себя рабочий вал с цилиндрическими гильзами, поршнями, штоками, кольца выполнены по окружности, цилиндрические гильзы расположены по окружности по одной или по две со смещением каждой последующей гильзы вдоль рабочего вала, а вал системы газораспределения соединен с рабочим валом системой передач, обеспечивающей вращение в одном с ним направлении с соотношением количества оборотов вала системы газораспределения и рабочего вала 1 : 2. \\\2 2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что рабочий вал выполнен из отдельных частей, соединенных друг с другом, а на валу системы газораспределения расположены конические поджимаемые вдоль оси вала втулки, соприкасающиеся с внутренними коническими поверхностями рабочего пустотелого вала, причем на втулках выполнены отверстия, совпадающие с впускными и выпускными отверстиями вала системы газораспределения. \\\2 3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что на внутренних поверхностях торцов корпуса эксцентрично расположены кольца со смещением в сторону, противоположную эксцентричности неподвижных колец оболочки корпуса, а на рабочем валу в местах расположения первой и последней цилиндрических гильз равномерно по окружности расположены втулки-цилиндры в количестве с каждой стороны, равном количеству гильз в двигателе при нечетном их количестве и половине количества гильз в двигателе при четном их количестве, причем втулки-цилиндры расположены диаметрально противоположно гильзам и в них вложены с возможностью возвратно-поступательного движения грузы, внешние торцы которых шарнирно соединены с подвижным кольцом, имеющим возможность вращаться в неподвижном кольце.