РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого была разработана в 1957 г. Ф. Ванкелем /ФРГ/. Особенность этого двигателя состоит в использовании вращающегося ротора, размещенного внутри рабочей камеры, поверхность которой выполнена по специальной кривой - эпитрохоиде. Тело ротора жестко соединено с зубчатым колесом внутреннего зацепления, которое охватывает неподвижную шестерню, установленную в корпусе по оси рабочей камеры. Ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни, его грани скользят по рабочей поверхности камеры, отсекая переменные объемы. Механизм преобразования вращательно-переносного движения ротора во вращательное движение нагрузочного вала позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения механизма газораспределения. При этом за один полный оборот ротора все четыре такта повторяются трижды. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск - в принципе такие же, как и у обычных поршневых ДВС. Практическое применение этот двигатель получил с 3-гранным ротором, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса как 2:3. Его устанавливают на легковых автомобилях, лодках и т.п. легких транспортных средствах. Масса и размер двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих ему по мощности обычных ДВС. Однако, несмотря на отмеченные достоинства, этому двигателю свойственны существенные недостатки.

1. Нагрузочный вал имеет только один кривошип /колено/, величина которого равна эксцентриситету. При сравнении адекватных конструктивных параметров радиус коленвала оказывается весьма незначительным. Это приводит к опасной концентрации усилий в области кривошипа. Для выхода из этого положения предусмотрено упомянутое шестеренчатое зацепление в качестве рычага 2-го рода для облегчения проворота кривошипа с использованием контакта зацепления как скользящей точки опоры.

В этом случае радиус кривошипа увеличивается, но возникает опасная концентрация усилий в опорных подшипниках вала.

2. Следствием отмеченного недостатка является ограниченный размер ротора по ширине, что исключает его серьезное конструктивное варьирование.

3. Одному полному обороту ротора соответствуют три оборота нагрузочного вала. Налицо явная быстроходность двигателя, требующая применения понижающих передач, что усложняет и удорожает двигатель.

4. Невозможность осуществить рабочий процесс двигателя без шестеренчатого зацепления, представляющего определенные неудобства с точки зрения конструкции и эксплуатации.

Все это сдерживает широкое внедрение роторно-поршневого двигателя, особенно в применении к мощным энергопотребляющим транспортным средствам.

Задачей заявляемого технического решения является устранение отмеченных недостатков.

Решение задачи достигается тем, что механизм преобразования вращательно-переносного движения ротора во вращательное движение нагрузочного вала представляет собой кривошип, установленный соосно в роторе и расположенный эксцентрично по отношению к единому с ним стакану, охватывающему вал, цилиндрическая поверхность которого окружена замкнутым эллиптическим пазом полукруглого сечения, а по образующим посадочного отверстия стакана имеются пазы полукруглого сечения для сочетания с эллиптическим пазом вала посредством шаров, при этом радиусы вала и кривошипа соотносятся как два к трем, а эксцентриситет составляет половину радиуса вала.

Новизна изобретения усматривается в том, что принципиально иное исполнение механизма преобразования позволят не только снизить обороты нагрузочного вала с одновременным увеличением его вращающего момента, но автоматически и плавно изменять их /редуцировать/ в зависимости от нагрузки. Расширится и возможность конструктивного варьирования двигателя.

По данным патентной и научно-технической литературы заявляемая конструкция не обнаружена, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемого решения.

Промышленная применимость обусловлена тем, что использование роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания расширит сферу его применения, в первую очередь, в области автомобиле- и тракторостроения.

На чертеже представлена принципиальная cxeмa роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Он устроен следующим образом.

Корпус 1 содержит рабочую камеру 2, форма которой определяется кривой - эпитрохоидой 3. Трехгранный ротор 4 содержит расположенный в нем соосно кривошип 5, выполненный эксцентрично по отношению к единому с ним стакану 6, охватывающему нагрузочный вал 7, цилиндрическая поверхность которого окружена замкнутым эллиптическим пазом 8 полукруглого сечения. По образующим посадочного отверстия стакана 6 имеется пазы 9 полукруглого сечения для сочетания с эллиптическим пазом 8 вала 7 посредством шаров 10. Радиусы вала 7 и кривошипа 5 соотносятся как два к трем, а эксцентриситет 11 составляет половину радиуса вала 7. В верхней части корпуса 1 расположены выхлопное и всасывающие окна /обозначены стрелками/, а в нижней его части установлена запальная свеча 12 для воспламенения сжатой горючей смеси.

Работает роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания следующим образом. На чертеже представлено положение ротора 4, при котором происходят одновременно два такта: рабочий ход после воспламенения сжатой горючей смеси /слева/ и сжатие очередной порции горючей смеси - справа. Только что завершился такт выхлопа и в этот же момент начинается такт всасывания. При повороте ротора 4 на шестьдесят градусов наблюдается протекание следующих тактов: выхлопа и всасывания. Одновременно в правой нижней части рабочей камеры 2 завершается такт сжатия горючей смеси, предшествующей ее воспламенению от запальной свечи 12. При переносном вращении ротора 4 его геометрический центр, совпадающей с осью кривошипа 5, совершает вращение вокруг центра рабочей камеры 2 по радиусу, равному эксцентриситету 11. А так как кривошип 5 выполнен заодно и эксцентрично относительно стакана 6, то последний совершает вращение вокруг нагрузочного вала 7. При повороте левой вершины ротора 4 в указанном направлении до совмещения с вертикальной осью, т.е. на 60 градусов, она набегает на верхнюю ветвь эпитрохоидальной камеры 2, и центр кривошипа 5 описывает дугу в 180 градусов вокруг центра вала 7, т.е. стакан 6 совершает половину оборота. В дальнейшем, правая вершина ротора 4, оказавшись в нижнем положении, симметричном исходному верхнему, относительно горизонтальной оси, начинает набегать на нижнюю ветвь эпитрохоидальной камеры 2 до совмещения с вертикальной осью, вытесняя центр кривошипа 5 вверх, тем самым осуществляя вторую половину оборота стакана 6. Таким образом, повороту ротора на 120 градусов соответствует один оборот стакана. Так как круговое движение паза 9 влечет за собой синусоидальное движение шара 10 по эллиптическому пазу 8, то предлагаемый шаровый механизм изначально является редуктором. При угле наклона плоскости эллиптического паза 8 к оси нагрузочного вала 7 в 30 градусов окружная скорость последнего вдвое меньше окружной скорости стакана 6. Соответственно, вращающий момент вала 7 вдвое больше. За один относительный оборот стакана 6 и вала 7 шар 10 совершает одно полное колебание вдоль паза 9, что сопровождается силовым воздействием стакана 6 на вал 7. С увеличением нагрузки на вал 7 частота его вращения уменьшается, значит число относительных оборотов в единицу времени увеличивается. Увеличивается и число силовых воздействий на вал 7 со стороны стакана 6. Так проявляется редукторная способность предлагаемого шарового механизма. Что же касается концентрации усилий в кривошипе, по аналогии с прототипом, то ее /концентрации/ просто нет, т.к. отсутствует колено, а воздействие ротора 4 на кривошип 5 не что иное, как вращение стакана 6, а не нагрузочного вала 7. Для вращения же стакана 6 требуется значительно меньший вращающий момент, чем для вращения нагрузочного вала 7. Поэтому вполне достаточно эксцентриситета 11 как плеча, на котором происходит поворот кривошипа 5.

Итак, вращение нагрузочного вала 7 осуществляется стаканом 6 по всей его цилиндрической поверхности с понижением оборотов вообще и с автоматическим их уменьшением, в частности.

Таким образом решаются все поставленные задачи.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является упрощение двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с эпитрохоидальной рабочей камерой, трехгранный ротор, нагрузочный вал и механизм преобразования вращательно-переносного движения ротора во вращательное движение вала. Согласно изобретению механизм преобразования представляет собой кривошип, установленный соосно в роторе и расположенный эксцентрично по отношению к единому с ним стакану, охватывающему вал, цилиндрическая поверхность которого окружена замкнутым эллиптическим пазом полукруглого сечения. По образующим посадочного отверстия стакана имеются пазы полукруглого сечения для сочетания с эллиптическим пазом вала посредством шаров, при этом радиусы вала и кривошипа соотносятся как два к трем, а эксцентриситет составляет половину радиуса вала. 1 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с эпитрохоидальной рабочей камерой, трехгранный ротор, нагрузочный вал и механизм преобразования вращательно-переносного движения ротора во вращательное движение вала, отличающийся тем, что механизм преобразования представляет собой кривошип, установленный соосно в роторе и расположенный эксцентрично по отношению к единому с ним стакану, охватывающему вал, цилиндрическая поверхность которого окружена замкнутым эллиптическим пазом полукруглого сечения, а по образующим посадочного отверстия стакана имеются пазы полукруглого сечения для сочетания с эллиптическим пазом вала посредством шаров, при этом радиусы вала и кривошипа соотносятся как два к трем, а эксцентриситет составляет половину радиуса вала.