РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F01C1/44 F02B53/00 

Областью применения изобретения является машиностроение. Роторно-поршневой двигатель может использоваться как двигатель внутреннего сгорания для транспортных средств, сельскохозяйственных машин, стационарных и передвижных установок.

Простота конструкции и технологичность позволяют применить роторно-поршневой двигатель в наиболее массовой серийной отрасли машиностроения - в автомобилестроении.

Конструкция современных ДВС достигла большой степени совершенства. С целью повышения мощности, улучшения рабочего процесса, экономичности и других параметров созданы двигатели с наддувом, факельным зажиганием, с непосредственным впрыском топлива и принудительным воспламенением, многотопливные двигатели, бесшатунные, газотурбинные, сфероидальные, роторные (роторно-поршневые).

До настоящего времени кроме поршневых двигателей, имеющих ряд недостатков, другие конструкции двигателей широкого распространения не получили. Присутствие в поршневом двигателе сложного кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов с возвратно-поступательными движениями поршней и клапанов ограничивает рост числа оборотов мощности. Кроме того, в результате трения от воздействия сил и инерционных нагрузок детали двигателя подвергаются интенсивному износу, при этом теряется до 25% мощности.

Из семейства роторных двигателей наиболее перспективным считается роторно-поршневой двигатель Ванкеля, однако и этот двигатель широкого распространения не получил. В конце 50-х годов инженер Ф.Ванкель совместно с фирмой NSU (ФРГ) создал роторно-поршневой двигатель, где ротор выполняет функцию поршня. Ротор, представляющий собой треугольник с дугообразными сторонами, расположен на эксцентрике выходного вала. Все три вершины ротора во время его вращения непрерывно соприкасаются со стенкой рабочей полости корпуса и делят рабочий объем на три изолированных камеры, в которых совершается четырехтактный цикл. За один оборот ротора происходит три вспышки. Выходной эксцентриковый вал вращается в три раза быстрее, чем ротор. Газораспределение и охлаждение осуществляется с помощью каналов в корпусе двигателя ("Теория автомобиля и автомобильного двигателя". Издательство "Машиностроение", 1968 г., с. 78-93; Энциклопедический словарь-справочник "Автомобиль". Издательство "Советская энциклопедия", 1968 г., с. 94-95).

Недостатком двигателя является эксцентрично посаженный на выходном валу ротор, который создает инерционные нагрузки на вал, приводящие к интенсивному износу зубьев колеса и ротора, т.к., вращаясь относительно своей оси, ротор одновременно обкатывается вокруг неподвижного зубчатого колеса при помощи внутризубчатого венца.

Автомобильные газотурбинные двигатели, имеющие ряд преимуществ - небольшие размеры и вес, отсутствие трущихся деталей и неуравновешенных масс, лучшая тяговая характеристика, т.к. крутящий момент увеличивается при уменьшении числа оборотов, из-за низкой топливной экономичности, особенно при работе на частичных нагрузках, свойственных автомобильным двигателям, также не получили широкого распространения. Поэтому задачи в области двигателестроения для автомобильной промышленности остаются прежними - повышение надежности, мощности и экономичности, увеличение срока службы, уменьшение веса и габаритных размеров, создание простых и технологичных конструкций.

Для решения этих задач предложена конструкция под названием "Машина" (RU 2140544 С1, 27.10.1999, F 01 С 1/44, 27.10.1999). Машина может использоваться как двигатель внутреннего сгорания. В цилиндрическом корпусе на оси последовательно установлено четное количество, по меньшей мере два рабочих органа, связанных с валом. Рабочие органы снабжены поршнями, имеющими форму усеченного сегмента. Рабочие камеры образованы рабочими органами с поршнями и осью, на оси установлено кольцо с окном для распределения рабочей смеси по каналам, проделанным в теле оси. Привод кольца осуществляется с помощью зубчатых колес от вала машины, кольцо вращается в два раза медленнее рабочего органа. Ось соединена с корпусом с помощью торцовой крышки. Элементы уплотнения установлены в стенках поршней и рабочих органов, для воспламенения рабочей смеси свечи установлены в торцовых крышках. Поршень каждого рабочего органа относительно поршня другого рабочего органа размещен диаметрально для уравновешивания инерционных нагрузок, возникающих при работе машины. При вращении рабочих органов качающиеся поршни образуют рабочие камеры, в которых происходят рабочие процессы, за два оборота рабочих органов происходит четырехтактный цикл ДВС. В частных случаях машина может иметь овальную форму внутренней поверхности корпуса, а каждый рабочий орган - два диаметрально размещенных поршня. В случае, если внутренняя поверхность выполнена овальной, четырехтактный цикл ДВС происходит за один оборот рабочего органа, установка кольца на ось при этом не требуется. На оси может быть установлено два рабочих органа с корпусами, повернутыми относительно друг друга на 90^o, три рабочих органа, последовательно размещенных на оси и повернутых относительно друг друга на 60^o, четыре и более рабочих органов.

По совокупности существенных признаков заявляемый роторно-поршневой двигатель наиболее близок к вариантам исполнения машины (RU 2140544 С1) с цилиндрической и овальной внутренней поверхностью корпуса, работающей как ДВС, поэтому "Машина" может служить в качестве прототипа.

Каждый из вариантов исполнения машины как ДВС (RU 2140544 С1) имеет свои преимущества и недостатки. Возможность объединить преимущества каждого из вариантов в одном роторно-поршневом двигателе появляется в данном изобретении.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности, уменьшение удельной массы двигателя.

Данная задача решена в роторно-поршневом двигателе, содержащем корпус с овальной внутренней поверхностью, ось, на которой установлен рабочий орган, связанный с валом и снабженный диаметрально размещенными, имеющими форму усеченного сегмента поршнями, шарнирно связанными с рабочим органом с возможностью качения и сопряженными с внутренней поверхностью корпуса, при этом рабочие камеры образованы рабочим органом с поршнями и кольцом, установленным на неподвижной оси, механизм распределения рабочей смеси и элементы уплотнения, при этом привод кольца осуществляется с помощью зубчатых колес от вала двигателя, корпус связан с кольцом и выполнен подвижным с возможностью вращения в два раза медленнее рабочего органа в ту же сторону.

Кроме того, корпус размещен внутри кожуха, соединенного с осью. Механизм распределения рабочей смеси выполнен для каждого поршня отдельно в виде каналов в теле оси, в стенках подвижного кольца, установленного на оси, и в стенках рабочего органа. Элементы уплотнения рабочих камер установлены в стенках поршней и рабочего органа.

В рабочих камерах за два оборота рабочего органа происходит четырехтактный цикл ДВС. Воспламенение рабочей смеси осуществляется от свечей зажигания, установленных в торцовых крышках корпуса, для обеспечения доступа к свечам зажигания в торцовых крышках кожуха имеются люки, закрываемые резьбовыми пробками. Работа системы зажигания может быть осуществлена с помощью контактных колец, установленных в торцевых крышках корпуса и кожуха. Смазка трущихся поверхностей двигателя осуществляется по каналам, выполненным в корпусах деталей. Инерционные нагрузки, возникающие при работе двигателя, уравновешиваются диаметрально размещенными в теле рабочего органа поршнями. Поршни размещены с возможностью качения и сопряжены с внутренней поверхностью корпуса. Для обеспечения постоянного сопряжения поршней с внутренней поверхностью корпуса последние могут быть подпружинены или установлены на торсионных осях.

Для снижения потерь на трение в вершинах поршней и в стенках поршней, скользящих по стенкам рабочего органа (при качении), могут быть установлены ролики на подшипниках, вкладышах или втулках. В частных случаях поршни могут иметь форму тороида (части тороида) или тарельчатую форму.

На оси может быть последовательно установлено два рабочих органа с корпусами, повернутыми относительно друг друга на 90^o, три рабочих органа, повернутых относительно друг друга на 60^o, четыре и более рабочих органов.

Двигатель может иметь разные габаритные размеры в зависимости от диаметра оси и рабочего органа, количества рабочих органов. Рабочий орган может иметь два, четыре и более диаметрально размещенных поршней, при этом каждый поршень обеспечен "индивидуальным" газораспределительным механизмом, т.е. имеет свой впускной и выпускной каналы, а окна в кольце, установленном на оси, также выполнены для каждого поршня. Это позволит в целях экономии топлива (например, при малых нагрузках) выключать из рабочего процесса один, два и более поршней путем соединения впускного и выпускного каналов с атмосферой через систему очистки воздуха или очищенный воздух может нагнетаться в ресивер, т.е. "выключенные" поршни могут работать в режиме компрессора.

Система охлаждения двигателя - воздушная, для подвода воздуха к корпусу, рабочему органу и поршням в стенках корпуса и кожуха выполнены окна. Для более эффективного охлаждения в частных случаях могут использоваться лопатки, размещенные в рабочем органе между поршнями, и ребра, выполненные на наружной части корпуса. Охлаждение двигателя также осуществляется за счет циркуляции масла по каналам, проделанным в деталях двигателя. Воздушную систему охлаждения двигателя конструктивно можно усовершенствовать. В качестве примера эффективной воздушной системы охлаждения, обеспечивающей оптимальный тепловой режим работы двигателя, может служить воздушная система охлаждения таких двигателей, как V-образные 8-цилиндровые двигатели мощностью от 180 до 230 л. с. автомобилей "Татра-138 SI"; 148 SIM" (ЧССР); "Магирус 232D19L; 232D9К (ФРГ) и др. ("Краткий автомобильный справочник" НИИАТ, Москва, "Транспорт", 1985 г.).

По конструктивным особенностям основные детали роторно-поршневого двигателя идентичны основным деталям "Машины" (прототипа), а наличие существенного признака - подвижного корпуса, отличающего роторно-поршневой двигатель от прототипа, позволяет получить следующие преимущества перед прототипом:
- по сравнению с вариантом исполнения "машины" как ДВС с овальной внутренней поверхностью корпуса в роторно-поршневом двигателе рабочий цикл происходит не за один, а за два оборота рабочего органа, вследствие чего улучшается наполнение рабочих камер, происходит более полное сгорание топлива и уменьшается токсичность выхлопных газов;
- по сравнению с вариантом исполнения "машины" как ДВС с цилиндрической внутренней поверхностью корпуса, в которой рабочий цикл происходит за два оборота рабочего органа, роторно-поршневой двигатель при той же мощности имеет меньшие габаритные размеры или, наоборот, при тех же габаритных размерах - большую мощность.

На фиг.1 изображено поперечное сечение роторно-поршневого двигателя;
на фиг.2 изображено продольное сечение роторно-поршневого двигателя;
на фиг.3 - начало впуска;
на фиг.4 - сжатие рабочей смеси;
на фиг.5 - начало рабочего хода;
на фиг.6 - выпуск;
на фиг.7 - схема обработки внутренней поверхности корпуса;
на фиг.1-6 впускной и выпускной каналы показаны для одного поршня.

Роторно-поршневой двигатель состоит из корпуса 2 (с торцовыми крышками 9 и 10), связанного с кольцом 4, установленным на оси 5, рабочего органа 3 (с поршнями 1), связанного с валом 7, кожуха 6 (с торцовыми крышками 8 и 11), соединенного с осью 5. Связанный с валом двигателя рабочий орган с поршнями, имеющими форму усеченного сегмента, размещен внутри корпуса. Корпус, имеющий овальную форму внутренней поверхности, с помощью торцовой крышки 10 связан с подвижным кольцом 4, привод которого осуществляется от вала двигателя с помощью зубчатых колес (фиг.2). В кольце выполнены окна для распределения рабочей смены. Снаружи корпус закрыт кожухом, который с помощью торцовой крышки 11 соединен с неподвижной осью 5. Поршни в теле рабочего органа размещены диаметрально и шарнирно связаны с рабочим органом. В поршнях выполнены камеры сгорания, которые для простоты изображения на чертежах не показаны (кроме фиг.1, 2).

Внутри оси для каждого поршня выполнены впускной и выпускной каналы (на чертежах каналы показаны для одного поршня). Поршни (вершины поршней) находятся в постоянном сопряжении с внутренней поверхностью корпуса. Поршни совершают качательные движения при вращении рабочего органа.

Детали двигателя не имеют сложной формы, поэтому для их изготовления не требуется специального оборудования, для обработки поверхностей деталей могут применяться обычные токарные, расточные, шлифовальные и другие станки. Корпус двигателя отливается, а внутренняя овальная поверхность обрабатывается на расточном и шлифовальном станках (например, по схеме, показанной на фиг. 7). Обрабатывающий инструмент (фреза, шлифовальный круг) "подбирается" по диаметру рабочего органа, заготовка - корпус в процессе обработки смещается относительно центра обрабатывающего инструмента.

Обработка внутренней поверхности корпуса может быть выполнена на станках с программным управлением. Корпус может быть изготовлен из цилиндра, разрезанного на две части, которые соединены между собой посредством вставки, но, т. к. корпус вращается и на него действуют инерционные, центробежные силы, предпочтительнее иметь цельнометаллический корпус.

Четырехтактный рабочий цикл в двигателе происходит за два оборота рабочего органа, при этом корпус, связанный с кольцом, вращаясь в ту же сторону, что и рабочий орган, совершает один оборот. В рабочих камерах, образованных поршнями, рабочим органом и кольцом, установленным на оси, происходит впуск рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выпуск выхлопных газов (фиг.3-6).

Поршни в рабочем органе размещены диаметрально, поэтому возникающие при работе двигателя инерционные нагрузки не воздействуют на ось, а воспринимаются корпусом, что является важным фактором, позволяющим при больших оборотах свести к минимуму износ поверхностей трущихся (вращающихся) деталей рабочего органа, кольца, оси.

Наиболее интенсивному износу подвергаются элементы уплотнения, ролики, установленные в вершинах поршней, и поверхность кольца от давления сгорающей смеси (при рабочем ходе поршня), но поскольку эти детали не являются базовыми, то периодическая их замена позволит увеличить срок службы двигателя, а такая конструктивная особенность, как качающиеся поршни, позволит устранить возможность заклинивания двигателя, тем самым - повысить его надежность.

Последовательно установленные на оси два, три и более рабочих органа с корпусами, повернутыми относительно друг друга, позволят приблизить роторно-поршневой двигатель по тяговым характеристикам к газотурбинному, а возможность отключения от рабочего процесса (при малых нагрузках) одного, двух и более поршней (т.к. каждый поршень имеет "индивидуальную" систему газораспределения) позволит повысить экономичность двигателя, при этом "отключенные" поршни могут работать в режиме компрессора.

Простота конструкции и технологичность позволят применить роторно-поршневой двигатель в массовом серийном производстве.

Роторно-поршневой двигатель может использоваться как двигатель внутреннего сгорания для транспортных средств, сельскохозяйственных машин, стационарных и передвижных установок. Двигатель состоит из корпуса, оси, на которой установлен рабочий орган, связанный с валом. Рабочий орган снабжен диаметрально размещенными, имеющими форму усеченного сегмента поршнями, которые шарнирно связаны с рабочим органом с возможностью качения и сопряжены с внутренней поверхностью корпуса, при этом рабочие камеры образованы рабочим органом с поршнями и кольцом, установленным на неподвижной оси. Корпус с овальной внутренней поверхностью связан с кольцом, установленным на оси, и вращается в два раза медленнее рабочего органа в ту же сторону. Привод кольца осуществляется от вала двигателя с помощью зубчатых колес. Механизм распределения рабочей смеси в виде каналов в теле оси, в стенках кольца и в стенках рабочего органа, контактирующих с кольцом, выполнен для каждого отдельно, что позволяет при работе двигателя на малых нагрузках в целях экономии топлива отключить от рабочего процесса один или несколько поршней. Диаметрально размещенные в теле рабочего органа поршни не создают инерционных нагрузок на ось, что позволит снизить потери на трение, увеличить число оборотов и мощность, а большой запас энергии от вращающихся масс позволит улучшить тяговые характеристики, повысить экономичность двигателя. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус с овальной внутренней поверхностью, ось, на которой установлен рабочий орган, связанный с валом и снабженный диаметрально размещенными, имеющими форму усеченного сегмента поршнями, шарнирно связанными с рабочим органом с возможностью качения и сопряженными с внутренней поверхностью корпуса, при этом рабочие камеры образованы рабочим органом с поршнями и кольцом, установленным на неподвижной оси, механизм распределения рабочей смеси и элементы уплотнения, при этом привод кольца осуществляется с помощью зубчатых колес от вала двигателя, отличающийся тем, что корпус связан с кольцом и выполнен подвижным с возможностью вращения в два раза медленнее рабочего органа в ту же сторону. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус размещен внутри кожуха, соединенного с осью. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что механизм распределения рабочей смеси выполнен для каждого поршня отдельно в виде каналов в теле оси, в стенках подвижного кольца, установленного на оси и в стенках рабочего органа. 4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что элементы уплотнения рабочих камер установлены в стенках поршней и рабочего органа.