РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B55/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Из уровня техники известен роторный двигатель Ф. Ванкеля, содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем рабочей камерой гипоциклоидной формы, в стенке которой выполнены окна газообмена, ротор-поршень трехгранной формы с радиальными стенками, являющимися поверхностями рабочих камер, на которых выполнены выемки для создания требуемой степени сжатия. С торцовой стороны ротора-поршня установлена синхронизирующая шестерня с внутренним зацеплением. Кривошипный механизм двигателя в виде цельного коленвала выполнен заодно целое с шестерней. [Е.И. Ипатов и другие "Судовые роторные двигатели" (стр. 46- 73)].

Недостатком данного двигателя является наличие сложной гипоциклоидной формы рабочей камеры, исключающей возможность образования ее дугой постоянного радиуса, что приводит к технологическим сложностям при изготовлении. Кроме того, форма рабочей камеры сгорания не обеспечивает необходимой турбулизации смеси, что отрицательно сказывается на массовой скорости сгорания. К недостаткам данного двигателя относится и исключение возможности изготовления цельного коленвала в случае изготовления многосекционного двигателя ввиду невозможности его монтажа. К недостаткам двигателя относится и такая конструкция двигателя, при которой происходит газосмешение выхлопных газов и нового заряда.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем трехгранной рабочей камерой, стороны которой образованы сопряженными дугами окружности, осесимметричный ротор-поршень, расположенный в рабочей камере и установленный на коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня, причем длина ротора-поршня равна постоянной ширине рабочей камеры, механизм привода ротора-поршня, снабженный неподвижной шестерней внутреннего зацепления, установленной в корпусе и связанной с малой шестерней наружного зацепления, установленной на ползуне выходного вала, при этом ползун подпружинен и установлен в щеках выходного вала с возможностью вращения его. В каждой стенке корпуса для подачи топливовоздушной смеси и отвода отработанных газов выполнены окна газообмена, в которых установлены клапаны, обеспечивающие газообмен, и размещен источник воспламенения. Система уплотнения двигателя включает радиальные уплотнения и подвижные торцовые уплотнения, расположенные как в корпусе, так и в роторе двигателя (RU, а.с. 1343062 от 06.12.71).

Недостатком данного двигателя является наличие подвижных торцовых уплотнений рабочей камеры, вызывающих утечку рабочих газов и требующих дополнительных элементов (подшипников) для удержания уплотнения и коленвала в центре вращения, что приводит к снижению надежности за счет износа подшипников и уплотнений, а также усложняет конструкцию и увеличивает габариты двигателя при равных рабочих объемах. К снижению надежности работы двигателя приводит и конструкция сборного коленвала, состоящего из трех взаимноперемещающихся деталей - двух щек и ползуна. Наличие же зубчатой передачи внутреннего зацепления механизма привода в планетарном их исполнении затрудняет обеспечение необходимой смазки для нормальной работы двигателя и требует большого количества деталей с высокой точностью изготовления и с высоким качеством рабочих поверхностей, что приводит к большим затратам и технологическим сложностям как при изготовлении деталей, так и при изготовлении двигателя в целом. Конструкция же газораспределительных валов, механизм, связывающий их движение, а также наличие разуплотнения в области клапанов отнимают часть рабочего объема заряда декомпрессии, что снижает характеристики и КПД двигателя.

В основу изобретения положена задача создания надежного в работе роторно-поршневого двигателя с лучшими весогабаритными показателями и простого как в технологическом, так и в конструктивном отношении.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом роторно-поршневом двигателе, содержащем неподвижный корпус с выполненной в нем трехсторонней камерой в форме фигуры постоянной ширины, образованной сопряженными дугами окружности, механизм привода с коленвалом, осесимметричный ротор-поршень, расположенный в рабочей камере и установленный на коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня, при этом длина ротора-поршня равна постоянной ширине рабочей камеры, газораспределительный механизм, источник воспламенения топливовоздушной смеси, а также включающий систему уплотнений ротора-поршня и рабочей камеры, согласно изобретению механизм привода снабжен двумя парами роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с цилиндрическими поверхностями секторов, выполненных заодно целое с коленвалом, газораспределительный механизм в виде двух окон газообмена, выполненных в стенках корпуса рабочей камеры вблизи одной из ее вершин, расположенной напротив стороны с установленным на ней источником воспламенения, а уплотнение рабочей камеры выполнено неподвижным за счет торцовых крышек, установленных неподвижно на торцах корпуса рабочей камеры, при этом рабочая камера выполнена с соотношением радиусов сопряженных дуг, удовлетворяющим условию:

где M - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня;
R - большой радиус сопряженной дуги;
r - малый радиус сопряженной дуги;
D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности.

эксцентриситет коленвала.

Именно, выполнение в двигателе механизма привода, снабженного двумя парами роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с цилиндрическими рабочими поверхностями секторов, выполненных заодно целое с коленвалом, а также выполнение газораспределительного механизма в виде двух окон газообмена, выполненных в стенках корпуса рабочей камеры вблизи одной из ее вершин, расположенной напротив стороны с установленным на ней источником воспламенения, и снабжение рабочей камеры неподвижным уплотнением за счет торцовых крышек, установленных неподвижно на торцах корпуса рабочей камеры, выполненной с соотношением радиусов сопряженных дуг, удовлетворяющим условию:

где M - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня;
R - большой радиус сопряженной дуги;
r - малый радиус сопряженной дуги;
D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности;
эксцентриситет коленвала,
отличает заявленное техническое решение от прототипа и обуславливает соответствие этого решения критерию "новизна".

Из уровня техники известны роторно-поршневые двигатели с коленвалами, выполненными заодно целое с приводными деталями, обеспечивающими определенную траекторию движения ротора-поршня, а также снабженные неподвижным торцовым уплотнением торцов корпуса рабочей камеры. Однако из уровня техники не известны роторно-поршневые двигатели с механизмом привода, снабженного двумя парами роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с цилиндрическими рабочими поверхностями секторов, выполненных заодно целое с коленвалом, а также двигателей, снабженных газораспределительными механизмами в виде двух окон газообмена, выполненных в стенках корпуса рабочей камеры вблизи одной из ее вершин, расположенной напротив стороны с источником воспламенения, и снабженных неподвижным, образованным торцовыми крышками, установленными на торцах корпуса рабочей камеры, уплотнением рабочей камеры, образованной радиусами сопряженных дуг с отношением:

где М - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня;
R - большой радиус сопряженной дуги;
r - малый радиус сопряженной дуги;
D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности;
эксцентриситет коленвала,
что доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень"
Наличие промежуточного звена в кинематической связи двигателя между ротором-поршнем и кривошипным механизмом в виде пары роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с цилиндрическими рабочими поверхностями секторов с возможностью блокировки одной из головок ротора-поршня поочередно в центре одной из вершин рабочей камеры, обеспечивает создание такой траектории движения ротора-поршня, которая обеспечивает постоянство зазоров между рабочей камерой и ротором- поршнем, исключая тем самым преждевременный износ их, а следовательно, повышая надежность работы двигателя. Кроме того, малые (на порядок) перемещения масс относительно центра вращения коленвала позволяют получить двигатель с незначительной вибрацией, а возможность размещения уравновешивающих деталей в одном, с рабочей камерой, габаритном пространстве уменьшает, кроме того, габариты двигателя в целом. Расположение газораспределительного механизма в виде двух окон газообмена в стенках корпуса рабочей камеры вблизи одной из ее вершин, расположенной напротив стороны с источником воспламенения, исключает газосмешение выхлопных газов и нового заряда за счет полного разделения рабочей камеры на две части, что приводит к повышению как экологических, так и мощностных показателей двигателя. Неподвижное уплотнение рабочей камеры, образованное за счет крышек, установленных на торцах корпуса рабочей камеры, исключает износ уплотнительных элементов, взаимодействующих с торцовой поверхностью корпуса рабочей камеры, а выполнение трехсторонней рабочей камеры в форме фигуры постоянной ширины с соотношением радиусов сопряженных дуг, удовлетворяющим условию:

исключает раскрытие отверстии отвода утечек газа из внутренней полости рабочей камеры в картер уплотнительными элементами и позволяет улучшить герметичность рабочих объемов, а также снизить потери рабочего тела, повысив тем самым мощностные и экологические показатели двигателя, что и доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 показан двигатель, продольный разрез с дугой сектора 120^o; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1 (положение элементов двигателя в мертвой точке); на фиг. 3 - продольный разрез двигателя с дугой сектора 240^o; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3 (положение элементов двигателя в мертвой точке); на фиг. 3 - схема положений ротора-поршня в начале (штриховое) и в конце первого такта "впуск- выпуск"; на фиг. 6 - схема положений ротора-поршня в начале (штриховое) и в конце второго такта "сжатие"; на фиг. 7 - схема положений ротора-поршня в начале (штриховое) и в конце третьего такта "рабочий ход - расширение"; на фиг. 8 - схема образования профиля рабочей камеры; на фиг. 9 - схема двигателя с шатуном.

Роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный корпус 1, в котором выполнена трехсторонняя рабочая камера в форме фигуры постоянной ширины 2. Внутренние рабочие поверхности рабочей камеры 2 - это части цилиндрических поверхностей, при этом вершины очерчены малыми сопряженными дугами фигуры постоянной ширины, а стороны - большими дугами при следующем их соотношении:

где М - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня;
R - большой радиус сопряженной дуги;
r - малый радиус сопряженной дуги;
D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности;
эксцентриситет коленвала.

Кроме того, двигатель содержит механизм привода с выходным коленвалом 3, осесимметричный ротор-поршень 4, цилиндрические головки которого представляют собой части цилиндрической поверхности ротора-поршня и получены малыми дугами, вписанными в малые дуги фигуры постоянной ширины в рабочей камере 2. Расстояние между центрами цилиндрических головок ротора-поршня равно расстоянию между центрами дуг фигуры постоянной ширины. Геометрическая форма сторон ротора-поршня произвольна, но должна удовлетворять общепринятым требованиям для камер сгорания. Ротор-поршень 4 расположен в рабочей камере 2 и установлен на выходном коленвалу 3 при помощи ползуна 5, размещенного в продольном пазу 6 ротора-поршня 4. В качестве детали, передающей движение ротору-поршню, вместо ползуна можно использовать шатун 19, установленный на оси 20 (фиг. 9). Механизм привода ротора-поршня 4 снабжен двумя парами роликов 7, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с рабочими цилиндрическими поверхностями секторов 8, выполненных заодно целое с коленвалом 3, при этом рабочие цилиндрические поверхности секторов могут быть выполнены с дугами 120 или 240^o. Уплотнение ротора-поршня в рабочей камере по радиальным стенкам состоит из пластин 9, расположенных в вершинах головок ротора-поршня 4, и уплотнительных элементов 10, установленных на торцах ротора-поршня 4 по внутренним плоскостям торцовых крышек 11, 12. Торцовые крышки с отверстиями в центре для отвода утечек газа и масла установлены неподвижно на торцах корпуса 1 камеры 2, образуя при этом неподвижное уплотнение корпуса рабочей камеры. В стенках корпуса рабочей камеры выполнены окна газообмена 14, 15 вблизи одной из ее вершин, расположенной противоположно стороне с источником воспламенения 16 (форсункой или свечой зажигания). Для выхода из мертвой точки и перемещений, не связанных с получением энергии под давлением нагревающихся от сгорания газов, в двигателе установлены на противоположных концах коленвала 3 маховик 17 и рабочее колесо 18, они же дополнительно служат для динамического уравновешивания масс деталей относительно центра и вращающегося с ними коленвала 3.

Двигатель работает следующим образом.

Рабочий цикл двигателя преобразует в механическую работу часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива в рабочей камере 2, и состоит из трех тактов. Часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения ротора-поршня 4 между двумя мертвыми точками, является тактом. Такты происходят поочередно во время поворота ротора-поршня вокруг центров сопряженных дуг - точек "а", "b", "с" (фиг. 5, 6, 7) под действием ползуна 5, приводимого в движение кривошипной шейкой коленвала 3, который за каждый такт поворачивается на 120 или на 240^o в зависимости от исполнения секторов, выполненных с дугами 120 или 240^o, ротор-поршень же при этом поворачивается на 60^o. Для обеспечения поочередного вращения ротора-поршня 4 вокруг центров сопряженных дуг "а", "b" и "с" механизм привода ротора-поршня 4 снабжен двумя парами роликов 7, установленных на торцах ротора-поршня 4 соосно цилиндрическим поверхностям головок. Ролики 7 попарно взаимодействуют с рабочими цилиндрическими поверхностями секторов 8, перекатываясь по ним во время поворота коленвала 3, что обеспечивает удержание роликов 7 одной из головок ротора-поршня 4 в центре сопряженных дуг в одной из вершин трехсторонней рабочей камеры 2 в течение такта и создает при этом необходимую траекторию движения ротора-поршня в процессе совершения всего рабочего цикла. За три такта, составляющих рабочий цикл двигателя, ротор-поршень 4 поворачивается на 180^o, три раза по 60^o в каждом такте. Первый такт "впуск-выпуск" (фиг. 5). Он происходит за время поворота ротора-поршня 4 в вершине рабочей камеры 2 вокруг центра сопряженных дуг - точки "а". В течение всего первого такта через впускное окно 14 в рабочую камеру 2 поступает свежий заряд, а через окно 15 выпускаются остаточные газы. При втором такте "сжатие" ротор-поршень поворачивается вокруг центра сопряженных дуг - точки "b" (фиг. 6). В начале такта перекрывается впускное окно 14 пластиной 9 радиального уплотнения ротора-поршня 4 в момент, когда скорость потока газов замедляется до минимума, а затем происходит сжатие заряда при движении ротора-поршня к мертвой точке, образуя при этом в рабочей камере замкнутую камеру сгорания. Воспламенение происходит в зависимости от исполнения секторов 8 с дугами 120 или 240^o с опережением на 12 - 20^o или 24 - 40^o поворота колевала 3 до мертвой точки от температуры, возникшей в процессе сжатия после впрыска топлива форсункой, либо от свечи зажигания при внешнем смесеобразовании. Третий такт - "рабочий ход - расширение" (фиг. 7). Он происходит при повороте ротора-поршня вокруг центра сопряженных дуг - точки "с". В течение третьего такта происходят расширение и преобразование энергии сгорания топлива в механическое движение ротора-поршня под давлением газов и вращения коленвала. В конце расширения, после открытия выпускного окна 15 начинается выпуск отработанных газов и заканчиваются третий такт и рабочий цикл. В процессе расширения в рабочей камере под ротором-поршнем происходят вентилирование и очистка рабочей камеры 2 от остаточных газов за счет инерции газов или под действием наддува. Эта конструктивная особенность позволяет сделать заключение, что лучше использовать внутреннее смесеобразование для исключения потерь топлива. Уплотнение ротора- поршня в рабочей камере осуществляется пластинами 9 по радиальным стенкам рабочей камеры и уплотнительными элементами 10 по внутренним плоскостям торцовых крышек 11, 12, установленных неподвижно на торцах корпуса 1 камеры 2. Ротор-поршень, оснащенный радиальными уплотнительными пластинами 9 и торцовыми уплотнительными элементами 10, в течение всего рабочего цикла разделяет рабочую камеру на две полости - надпоршневую и подпоршневую. Механизм газораспределения при этом неразрывно согласован в совершении рабочего цикла с механизмом привода за счет положения окон газообмена 14 и 15 вблизи одной из вершин рабочей камеры 2, расположенной противоположно стороне с источником воспламенения 16 (форсункой или свечой зажигания). Начало и конец окон 14, 15 выполнены так, что по ходу движения пластин 9 радиального уплотнения ротора-поршня окна 14, 15 своевременно открываются и закрываются для впуска и выпуска газов, обеспечивая тем самым необходимое чередование рабочих процессов двигателя. Для выхода из мертвой точки и перемещений, не связанных с получением энергии под давлением нагревающих от сгорания газов, в двигателе установлены маховик 17 и рабочее колесо вентилятора 18. Кроме того, они дополнительно служат для динамического уравновешивания масс относительно центра вращающегося коленвала 3.

Возможность получения надежного в работе, с высокими мощностными, экономическими и экологическими показателями двигателя при лучших его весогабаритных показателях, простого как в конструктивном, так и в технологическом исполнении, а также конструктивная компоновка двигателя, позволяющая изготавливать многосекционные двигатели с цельными коленвалами, и возможность использования двух конструктивных вариантов одной из приводных деталей - сектора с дугами 120 или 240^o, позволяющих получить два типа двигателя, позволяет, по мнению автора, сделать заключение, что предлагаемый им роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания может найти применение в различных механизмах (компрессоры, насосы, дозаторы, смесители, нагнетатели).

Изобретение относится к двигателесторению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. В основу изобретения поставлена задача создания надежного в работе роторно-поршневого двигателя с наибольшей мощностью при лучших весогабаритных показателях и простого как в технологическом, так и в конструктивном исполнении. Роторно-поршневой двигатель содержит: неподвижный корпус с выполненной в нем трехсторонней рабочей камерой в форме фигуры постоянной ширины, образованной с соотношением радиусов сопряженных дуг, удовлетворяющим условию:

где M - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня; R - большой радиус сопряженной дуги; r - малый радиус сопряженной дуги; D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности.

эксцентриситет коленвала;
осесимметричный ротор-поршень с цилиндрическими поверхностями головок, расположенный в рабочей камере и установленный на выходном коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня. Кроме того, двигатель содержит механизм привода, снабженного двумя парами роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с рабочими цилиндрическими поверхностями секторов, которые выполнены заодно целое с коненвалом. Газораспределительный механизм двигателя выполнен в виде двух окон газообмена, выполненных в стенках корпуса рабочей камеры вблизи одной из вершин, расположенной напротив стороны с источником воспламенения (форсункой или свечой зажигания). Система уплотнения двигателя включает уплотнение ротора-поршня, состоящего из пластин, расположенных в вершинах головок ротора-поршня, и уплотнительных элементов, расположенных на торцах ротора-поршня, а также неподвижное уплотнение рабочей камеры, образованное за счет торцовых крышек. Торцовые крышки с отверстиями в центре для отвода утечек газа и масла установлены неподвижно на торцах корпуса рабочей камеры. Для выхода из мертвой точки на противоположных концах коленвала установлены маховик и рабочее колесо вентилятора с соизмеряемыми между собой массами. 9 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем трехсторонней, в форме фигуры постоянной ширны, рабочей камерой, стороны которой образованы сопряженными дугами окружности, механизм привода с коленвалом, осесимметричный ротор-поршень с цилиндрическими поверхностями головок, расположенный в рабочей камере и установленный на коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня, при этом длина ротора-поршня равна постояной ширине рабочей камеры, газораспределительный механизм, источник воспламенения топливовоздушной смеси, а также включающий систему уплотнений ротора поршня и рабочей камеры, отличающийся тем, что механизм привода снабжен двумя парами роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с цилиндрическими рабочими поверхностями секторов, выполненных за одно целое с коленвалом, газораспределительный механзм в виде двух окон газообмена, выполненных в стенках корпуса рабочей камеры вблизи одной из ее вершин, расположенной напротив стороны с установленным на ней источником воспламенения, а уплотнение рабочей камеры выполнено неподвижным за счет торцовых крышек, установленных на торцах корпуса рабочей камеры, при этом рабочая камера выполнена с соотношением радиусов сопряженных дуг, удовлетворяющим условию

где М - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня;
R - большой радиус сопряженной дуги;
r - малый радиус сопряженной дуги;
D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности;
эксцентриситет коленвала.