РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИНЕРЦИОННЫХ СИЛ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F02B53/00 F01C21/16 F04C15/04 F04C29/10 

Предлагаемое устройство может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, насосах компрессорах и других машинах. В конструкцию двигателя входит группа изобретений: устройство силового /синхронизирующего/ механизма и входящая в него система компенсации /гашения/ инерционных сил.

Силовые механизмы известны и носят название "Кошки - мышки" или двигатель Кауэртца. Они описаны, например, в патентах Германии N 142119 за 1903 г., N 271552, кл. 46 а⁶ 5/10 за 1914 г. Франции N 844351, кл. 46 а⁵ за 1938 г. и мн. др.

Аналогов системы компенсации инерционных сил не известно, хотя есть механизмы изохронных маховиков, но имеющиеся там сходные признаки применяются по иному назначению.

По первому независимому пункту, в части устройства силового механизма, за прототип взята конструкция по Германскому патенту N 271552 за 1914 г. Этот двигатель имел кольцеобразную рабочую камеру, две пары лопастных поршней, жестко закрепленных на двух концентрично смонтированных валах, снабженных рычагами, и водило, с жестко связанным с ним выходным валом, установленным соосно с валами несущими поршни. К рычагам шарнирно присоединены шатуны, передающие вращение двум двухкривошипным валам с сателлитными колесами, зацепляющимися с неподвижным центральным колесом. Коленчатые валы имеют V-образное расположение кривошипов, так что в исходном положении, т.е. в момент прохождения механизмом мертвых точек, шатуны с кривошипами размещаются как бы в четырех плоскостях, пересекающихся друг с другом, причем две линии пересечения проходят через оси коленчатых валов. Силовой механизм двигателя имеет ряд недостатков. Первый - это жесткая взаимозависимость геометрических размеров деталей, не дающая возможности изменить /например, в сторону увеличения/ отношение длины шатуна к радиусу кривошипа. Это отношение равно 2,4. В частности, если принять иной, кроме 90^o, угол расположения кривошипов на коленвале, то это приведет к прохождению механизмом трех мертвых точек вместо двух, отчего недопустимо возрастут нагрузки на зубья передачи. Увеличение межцентровых расстояний в планетарной передаче приведет к увеличению длины рычагов, а следовательно, к увеличению длины шатунов и вместе с ними, радиусов кривошипов. Это обстоятельство приведет к тому, что противовесы, предназначенные для уравновешивания коленвалов, которые из-за V-образного расположения кривошипов должны были быть достаточно массивными, нельзя конструктивно развивать по радиусу, следовательно, придется их увеличивать в длину, что приведет к неоправданному увеличению массы коленчатых валов. Кроме того, при указанном отношении длины шатуна к радиусу кривошипа головки шатунов, связанные с рычагами, попадут между щек коленчатых валов, что также заставит увеличить коленчатые валы в длину. А это заставит увеличить длину валов, несущих поршни и рычаги, т.е. увеличивать расстояние между поршнями и рычагами, отчего снизится жесткость этих валов по кручению.

Вторым недостатком является необходимость увеличивать размеры зубчатых колец, чтобы обеспечить работоспособность при передаваемых рабочих нагрузках.

Третий недостаток состоит в том, что при прохождении механизмом мертвых точек, инерционные силы от обоих валов несущих поршни, геометрически складываются, причем их равнодействующие совпадают по направлению с центробежными силами, следовательно, шейки коленчатых валов будут подвергаться совместному действию этих сил. Указанные недостатки приведут к увеличению массы механизма и двигателя в целом, и не дадут возможности увеличивать обороты, а следовательно, и мощность двигателя. Четвертый недостаток - это нетехнологичность деталей механизма из-за высоких требований к точности их изготовления, поскольку силовой механизм, представляющий собой два замкнутых многозвенника, из-за незначительных погрешностей изготовления может заклиниваться.

Целью изобретения по первому пункту, является снижение нагрузок на сочленения механизма двигателя при одновременном улучшении компактности и технологичности.

Поставленная цель достигается за счет того, что каждый из рычагов установлен относительно поршней с углом смещения в пределах от 0 до 90^o, при этом один рычаг смещен по часовой стрелке, а другой - против, так что сумма углов их смещения составляет 90^o. Вследствие этого в процессе взаимного поворота валов один из рычагов замещает по углу исходное положение другого, и, наоборот, т. е. рычаги как бы меняются местами друг с другом, тогда как лопастные поршни взаимно сближаются и раздвигаются на заданный угол. При этом на водиле установлены четыре эксцентриковых одноколенных вала таким образом, что в момент прохождения механизмом мертвых точек, шатуны с кривошипами размещаются в двух параллельных плоскостях. Иначе говоря, одна группа из двух шатунов с присоединенными к ним кривошипами параллельна другой такой же группе. Эксцентриковые валы с насаженными на них зубчатыми колесами попарно сближены. Такая конструкция свободна от жесткой взаимозависимости размеров деталей. Радиусы кривошипов конструктивно можно уменьшать, одновременно увеличивая длину шатунов за счет попарного сближения эксцентриковых валов. Одноколенные валы технологичнее, а для уравновешивания их требуются менее массивные противовесы, т.к. радиус кривошипов можно выбирать оптимальным. Конструктивно эксцентриковые валы становятся меньше по размерам, во-первых, потому, что они имеют колено, во-вторых, потому, что действующие на них силы, вследствие разделения, меньше по величине, а главное, инерционные и центробежные силы не совпадают по направлению. Кроме того, из-за уменьшения размеров деталей масса их также уменьшается. Следовательно, силовой механизм и двигатель в целом становятся компактнее, легче и жестче, что позволяет увеличивать обороты двигателя и мощность, т.к. действующие на сочленения силы существенно уменьшены. Из-за отсутствия замкнутых многозвенников здесь не нужно предъявлять высокие требования к точности выполнения деталей, в частности межцентровых расстояний в шатунах и кривошипах, т.к. эластичная установка сателлитов на валах может компенсировать погрешности изготовления.

Этот механизм можно дополнить системой компенсации /гашения/ инерционных сил, которая позволит увеличивать обороты двигателя и его срок службы, что и является целью изобретения по второму независимому пункту. Подобных устройств или систем, устраняющих вредное воздействие инерционных сил на сочленения механизмов не известно. Ввиду некоторого сходства элементов, но не в качестве прототипа, следует рассмотреть конструкцию изохронного маховика, показанную на стр. 144, книги К.Э.Рериха "Теория регулирования машин", ч. 1, Петроград, 1916 г. Указанная конструкция содержит симметрично расположенные четырехзвенные рычажные механизмы с закрепленными на коромыслах дополнительными грузами. При вращении маховика качательное движение коромысел приводит к перемещению грузов относительно оси вращения маховика. Начальная фаза работы устройства подобрана таким образом, чтобы при совершении рабочего хода двигателя, грузы раздвигались, увеличивая момент инерции маховика, а при остальных тактах сближались, уменьшая этот момент. Эти маховики не получили развития в технике, а их задачей было только уменьшение амплитуды колебаний скорости вращения вала. Для предлагаемого двигателя дополнительного уменьшения амплитуды не требуется, поскольку четыре эксцентриковых вала уже являются маховиками, как бы первой ступени, затем водило, в котором смонтированы эти валы, имеет значительную массу, и тоже выполняет роль маховика. В предлагаемой системе имеются такие признаки как наличие грузов, перемещающихся в радиальном направлении. Их влияние на уменьшение амплитуды колебаний скорости вращения водила тоже будет положительным, хотя и в незначительной мере. Однако здесь указанные признаки применены для иной цели. Эта цель - использование центробежных сил, действующих на грузы, для устранения вредного воздействия инерционных сил на сочленения, которая достигается путем присоединения грузов с помощью дополнительных шатунов к рычагам валов, вращающихся в переменной скоростью. Грузы могут размещаться в пазах или направляющих водила. Но наилучшим образом эта система может быть встроена в механизмах, где рычаги, передающие усилия от поршней к коленчатым валам, при движении, поворачиваясь на одинаковый угол, как бы взаимно меняются местами друг с другом, и тогда не нужно применять пазы или направляющие. Следовательно, силовой механизм, по первому независимому пункту, как бы предназначен для включения этой системы компенсации инерционных сил.

В предлагаемой системе дополнительные шатуны присоединяются одним концом к рычагам валов возле присоединения рабочих шатунов, а вторые концы общей осью соединяются с грузами. В получившейся ромбоидной конструкции не требуются грузы с большой массой, т.к. в момент прохождения мертвых точек, т.е. когда инерционные силы максимально воздействуют на шейки коленчатых валов, дополнительные шатуны раздвигаются между собой до угла, приближающегося к 180^o, и поэтому не очень большие центробежные силы, воздействующие на грузы, будут в нужной мере снижать давления на сочленения.

Двигатель схематически изображен на чертежах, где:
на фиг. 1 дан продольный разрез двигателя,
на фиг. 2 показано сечение по кольцеобразной камере /сеч. А-А/,
на фиг. 3 в сечении по Б-Б изображен вид на рычажно-планетарный механизм,
на фиг. 4 показана схема рычажно - планетарного механизма по Германскому патенту,
на фиг. 5 показана схема механизма предлагаемого двигателя,
на фиг. 6 изображена принципиальная схема компенсации инерционных сил.

Схемы представлены в качестве иллюстративного материала.

Стрелками показано направление действующих инерционных и центробежных сил. Схемы выполнены с соблюдением соотношений размеров деталей, т.е. шатунов и кривошипов при одинаковых размерах зубчатых колес.

Двигатель имеет большой полукорпус 1 и малый 2, между которыми установлено кольцо 3 с окном 4 для всасывания воздуха или рабочей смеси и окном 5 для выпуска отработанных газов. Выходной вал 6 размещен соосно рядом с концентрично установленными валами 7 и 8, имеющими лопастные поршни 9, жестко закрепленными на дисках этих валов. С валом 6 жестко связано водило 10, на котором размещены зубчатые планетарные колеса 11, находящиеся в зацеплении с неподвижным колесом 12.

Планетарные колеса 11 насажены на концы эксцентриковых валов 13, с возможностью осевого смещения, и подпружинены, с целью более равномерного распределения нагрузок на все колеса. Для этого колеса могут быть выполнены косозубыми и подпружиненными в осевом направлении. Имеются и другие решения. Поскольку эти решения известны в различных вариантах, то на чертежах не показаны. Эксцентриковые валы 13 с помощью шатунов 14 соединены с рычагами 15 и 16 валов 7 и 8. Если двигатель выполнен как бензиновый, то он имеет запальную свечу 17 или форсунку, если выполнен как дизельный.

На фиг. 2 изображен оптимальный вариант размещения рычагов относительно лопастных поршней, когда рычаги, при закреплении на валах, конструктивно смещены относительно поршней, один на угол 45^o по часовой стрелке, а другой - на угол 45^o - против часовой стрелки. Здесь можно видеть, что при повороте валов, т. е. при сближении или взаимном удалении поршней 9, рычаги 15 и 16 замещают по углу исходные положения друг друга, тогда как в механизме по упомянутому Германскому патенту эти рычаги, как и поршни, сближаются и раздвигаются на заданный угол.

Для снижения динамических давлений в сочленениях валов 13 и шатунов 14 от неравномерно вращающихся валов 7 и 8, плечи рычагов 15 и 16 соединены с грузами 18 с помощью дополнительных шатунов 19. На фиг. 3 показан один из конструктивных вариантов, когда груз и два шатуна соединены общей осью, а на фиг. 6 изображена принципиальная схема присоединения каждого груза 18 к каждому плечу рычага с возможным выполнением грузов в виде ползунов, установленных в пазах. На фиг. 4 и 5 видно, что при одинаковых размерах зубчатых колес радиусы кривошипов в предлагаемом двигателе значительно меньше, чем в механизме по Германскому патенту, значит и противовесы будут меньше по размерам и массе. Также здесь показаны направления действия инерционных сил. В механизме по Германскому патенту /фиг. 4/ они суммируются, а в предлагаемом механизме они разделяются.

Предложенное устройство, выполненное как двигатель внутреннего сгорания, может работать по четырехтактному циклу, причем все четыре такта одновременно происходят по разные стороны поршней. В процессе работы под действием горящих газов/а не по инерции/ перемещаются, т.е. совершают работу, поршни обоих валов. За один оборот выходного вала и в то же время за полный оборот обоих валов с поршнями происходит четыре рабочих процесса. От воздействия рабочего тела на поршни 9 валов 7 и 8 поворачиваются рычаги 15 и 16, которые передают через шатуны 14 вращение валам 13 с колесами 11. Эти колеса, обегая неподвижное колесо 12, равномерно вращают водило 10 с выходным валом 6. Если конструктивно, как изображено на чертежах, взят наибольший угол взаимного разворота поршней 135^o, то в процессе работы одна пара поршней /вместе с валом, на котором закреплены/ повернется относительно корпуса на 135^o, а поршни второго вала - на 45^o в том же направлении, на фиг. 2 - против часовой стрелки. Затем вал, совершивший поворот на 45^o, при следующем рабочем процессе совершит поворот на 135^o, а другой - на 45^o и т.д. Относительно друг друга поршни обоих валов перемещаются на угол 90^o. Здесь нужно отметить, что имеются конструкции двигателей, относящиеся тоже к типа "Кошки-мышки", где за оборот каждого из двух поршневых тоже происходит четыре рабочих процесса, но один из валов фиксируется с корпусом в момент совершения вторым валом рабочего хода, т.е. поршни совершают работу поочередно, а не одновременно. После того, как первым валом с поршнями произведена работа, требуется оба вала довернуть до исходного положения, на что необходимо затратить энергию или накопленную в маховике, или полученную от какого-то иного источника. Поэтому двигатель с фиксацией поршневых валов с корпусом, при прочих равных условиях, эквивалентен только восьмицилиндровому двигателю, а предлагаемый эквивалентен шестнадцатицилиндровому. Надо обратить внимание, что при одинаковой конструкции кольцевой камеры, объем камер будет одинаков, следовательно, как мощность, так и экономичность предлагаемого двигателя будет вдвое выше, чем у двигателя с фиксацией поршневых валов с корпусом.

Еще надо учесть, что при прохождении механизмом мертвых точек, валы с поршнями имеют одинаковую угловую скорость с водилом 10, т.е. в этот момент водило с валом и оба поршневых вала составляют единое целое и выполняют роль маховика. Этот, образовавшийся в нужный момент маховик, передает накопленную энергию выходному валу при повороте последнего всего на 10 - 15^o при угле поворота на 90^o за рабочий ход, тогда как в существующих шатунно-поршневых двигателях, маховик обеспечивает поворот выходного вала на 60 - 100^o из совершаемых 180^o, из-за преждевременного открывания выпускного клапана. При этом поршни, находящиеся в мертвых точках, не помогают, а препятствуют повороту коленвала. Следовательно, предлагаемый двигатель будет намного превосходить по экономичности существующие шатунно-поршневые.

Важный основой и источником главных преимуществ двигателя является то, что поршни под действием рабочего тела перемещаются на значительно большие расстояния, чем в любых других конструкциях. Например, в двигателе Кауэртца лопастные поршни перемещаются под действием горящих газов только на одной трети пути, в двигателе Ванкеля ротор-поршень проходит половину пути, в существующих шатунно-поршневых двигателях поршни проходят тоже, примерно, полпути, остальной путь проходят по инерции. Но известно, что чем больше путь разгона, тем больше совершаемая работа. В предлагаемом же двигателе рабочие органы находятся под действием рабочего тела почти непрерывно. Известен тоже длинноходовой двигатель Ружицкого, КПД которого было 51%.

Система компенсации /гашения/ инерционных сил функционирует следующим образом. В моменты прохождения механизмом мертвых точек, грузы 18 приближены к оси валов 7 и 8, т.е. в тот момент, когда поршни 9 неподвижны относительно друг друга и на них не действуют силы горящих газов, а наибольшее удаление грузов от осей валов происходит, когда скорости взаимного разворота поршней и рычагов максимальны. Но так как в момент прохождения мертвых точек инерционные силы должны воздействовать на сочленения в наибольшей мере, угол между дополнительными шатунами 19 будет около 180^o, и грузы под действием центробежных сил будут оттягивать рычаги 15 и 16, снижая нагрузки на шейки коленчатых валов. Таким образом, применение такого устройства обеспечивает не просто устранение или снижение, т.е. "гашение" инерционных сил взаимоповорачивающихся валов с поршнями за счет, например, упругой деформации каких-то элементов, отчего происходил бы нагрев деталей, а обеспечивает использование энергии движущихся масс таких деталей, как валы 7 и 8 с поршнями для вращения выходного вала в тот момент, когда силы горящих газов не действуют.

Применение системы грузов с дополнительными шатунами дает возможность энергию вращающихся валов 7 и 8 с поршнями 9 не затрачивать на нагрев деталей от упругой деформации и на трение, как это происходит в шатунно-поршневых двигателях, а использовать ее частично на насосные ходы, а частично на сообщение вращающего импульса водилу с валом, т.е. на совершение полезной работы, отчего возрастет и механический КПД.

Изобретение может использоваться в насосах, компрессорах и двигателях внутреннего сгорания. Двигатель содержит водило с выходным валом, кольцеобразную рабочую камеру и две пары лопастных поршней, которые жестко закреплены на двух концентрично смонтированных валах, снабженных рычагами, передающими вращение с помощью шатунов эксцентриковым валом с планетарными колесами, находящимися в зацеплении с центральным неподвижным колесом. При этом каждый из рычагов установлен относительно поршней с углом смещения от 0 до 90°, один по часовой стрелке, а другой - против. Двигатель может быть оснащен системой компенсации инерционных сил, состоящей из грузов, имеющих возможность перемещаться в радиальном направлении. Эти грузы с помощью дополнительных шатунов присоединяются к рычагам, которые относительно друг друга совершают качательное движение. В результате усовершенствований улучшаются весо-габаритные показатели, сокращается расход топлива, уменьшается токсичность, увеличивается срок службы. 2 с.п.ф-лы, 6 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий водило с выходным валом, кольцеобразную рабочую камеру и две пары лопастных поршней, жестко закрепленных на двух концентрично смонтированных валах, снабженных рычагами, передающими вращение с помощью шатунов эксцентриковым валам с планетарными колесами, находящимися в зацеплении с центральным неподвижным колесом, отличающийся тем, что каждый из рычагов установлен относительно поршней с углом смещения от 0 до 90^o, при этом один рычаг смещен по часовой стрелке, а другой - против так, что сумма углов смещения составляет 90^o, а водило снабжено четырьмя одноколенными эксцентриковыми валами, установленными таким образом, что в момент прохождения мертвых точек шатуны с кривошипами находятся в двух параллельных плоскостях, и для увеличения оборотов и срока службы двигатель может содержать систему компенсации инерционных сил. 2. Роторный двигатель, содержащий водило с выходным валом, кольцеобразную рабочую камеру и две пары лопастных поршней, жестко закрепленных на двух концентрично смонтированных валах, снабженных рычагами, передающими вращение с помощью шатунов эксцентриковым валам с планетарными колесами, находящимися в зацеплении с центральным неподвижным колесом, отличающийся тем, что он имеет систему компенсации инерционных сил, содержащую грузы, имеющие возможность перемещаться в радиальном направлении, присоединенные к рычагам посредством дополнительных шатунов.