РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОППОЗИТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ ЦИКЛОВ Российский патент 2004 года по МПК F02B53/02 F01C1/22 

Конструкция двигателя относится к комплектации в качестве основного привода преимущественно на автомобильном транспорте, а также на других видах транспортных средств, и на оборудовании в промышленности для добычи или переработки сырья.

Известно о существовании аналога-роторно-поршневой двигатель 12А, созданный в 1957 г. Ф.Ванкелем и фирмой “Мазда” мощностью 80 кВт при 6000 об/мин (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и карбюраторных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 288 с.).

К совокупности существенных признаков аналога можно отнести следующие показатели:

1. Конструкция двигателя имеет условное горизонтальное расположение вала с двумя полыми роторами на его эксцентриках, развернутых друг относительно друга в параллельных плоскостях вращения на 180°.

2. Корпус двигателя состоит из двух эпитрохоидных элементов и встроенной между ними проставки, а также из двух закрывающих торцевых крышек, образующих в параллельных плоскостях две рабочие камеры.

3. На наружных поверхностях торцевых крышек корпуса и проходящих там же концах вала имеются устройства зубчатых зацеплений с передаточным отношением 3:2, что, в свою очередь, обеспечивает заданное планетарное вращение роторов и вращение эксцентриков с передачей крутящего момента на вал отбора мощности.

4. Планетарно-поступательное вращение вершин обоих роторов и соединяющие их выпуклые поверхности создают условия для образования сегментных полостей в рабочих камерах со слабо искаженными формами и изменяющимися объемами, а также их перемещения в сторону вращения вала.

5. При исследовании аналога было обнаружено, что внутренняя поверхность любой одной из двух рабочих камер определяется вращением вершин ротора в системе координат XOY по следующим формулам:

Xn=R·cos(αn+Z·120°)+r·cos(180°+βn);

Yn=R·sin(αn+Z·120°)+r·sin(180°+βn);

где Хn - координаты точки на оси абсцисс;

Yn - координаты точки на оси ординат;

R=5r - расстояние от центра до вершины ротора;

r - межосевое расстояние на эксцентрике вала;

αn - угловое перемещение ротора;

βn=3αn - угловое перемещение кривошипа;

Z=0; 1; 2 - значение для вершин А, В, С;

n - задаваемые точки.

6. Наружная поверхность ротора на участке АВ определяется в системе координат Х’О’У’ за счет контакта с неподвижной точкой вершины выступа рабочей камеры, лежащей на расстоянии F по оси ОХ. В результате вращения ротора можно определить координаты исследуемых точек по следующим формулам:

X’n=F-r·cos(180°+βn);

Y’n=-r·sin(180°+βn),

где Х’n, Y’n - координаты задаваемых точек;

F=4·r.

Формулы построения трех поверхностей ротора по полученным расчетным точкам имеют вид

где Pn=(3-5)r - предел значения параметров точек от центра до поверхности ротора;

λn=0-120° - участок АВ, Z=0;

λn=120-240° - участок ВС, Z=1;

λn=240-360° - участок СА, Z=2.

7. Работа газораспределительного устройства определяется перекрытием отверстий окон в рабочей камере поверхностями ротора для подводящих, перепускных и отводящих каналов.

8. Сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в перекрестно-перепускных каналах проставки, которые циклически связаны с однорядными половинами одних рабочих камер с другими, при воздействии электрических разрядов на встроенных свечах зажигания. Процесс горения в каждом цикле сопровождается ростом давления в камере сгорания с переходом его в рабочую камеру, что обеспечивает рабочий ход.

9. Однорядно протекающие цикловые процессы создают режим работы двигателя в условиях 4-х тактного 4-х цилиндрового поршневого двигателя.

10. Улучшение динамической характеристики за счет отсутствия вращающихся масс у двигателя аналога позволит получить повышение максимальных оборотов на основном валу при сравнении с обычными поршневыми двигателями карбюраторного типа.

11. Система охлаждения внутренних поверхностей роторов, подшипниковых элементов и внутренних полостей рабочих камер обеспечивается протяжкой охлаждающего воздуха. Охлаждение наружных поверхностей рабочих камер и камер сгорания в проставке обеспечивается водоциркуляционной системы охлаждения.

К совокупности существенных признаков роторно-поршневого двигателя с оппозитными процессами циклов можно отнести:

1. Конструкция двигателя имеет вертикальное расположение вала в основном корпусе, где на шатунной шейке кривошипа установлен один свободно вращающийся тороидальный ротор.

2. Конструкцию корпуса составляют два элемента замкнутых перегородок квадратичного типа, входящие одна в другую, а также замыкающие их две торцевые крышки, которые обжимают эти перегородки. Полость, образованная малой замкнутой перегородкой, служит рабочей камерой, а полость между перегородками служит рубашкой водяного охлаждения. В центральной части оси крышек располагаются сквозные цилиндрические гильзы для подшипников скольжения и прилегающие к ним по окружности сквозные каналы для воздушного охлаждения внутренних поверхностей ротора и рабочей камеры, а также для охлаждения основного вала и его подшипников скольжения. Полые части крышек служат для распределения и сбора охлаждающей жидкости рубашки водяного охлаждения.

3. Работа предлагаемого двигателя обеспечивается обратнопоступательным планетарным вращением ротора в квадратичной полости рабочей камеры, которая условно делится на две части группирующихся цикловых процессов, располагающихся оппозитно, т.е. друг против друга на 180°. При этом планетарное вращение ротора будет обеспечено обкатыванием вершинами ротора по впадинам внутренней поверхности рабочей камеры, с передаточным отношением 3:4.

4. Обратнопоступательное вращение ротора в полости рабочей камеры создает условия для образования сильно искажаемых сегментных полостей с изменяющимися объемами, которые имеют перемещение в сторону, обратную вращению вала двигателя. В перепускных трубчатых камерах сгорания перемещение газовых потоков будет направлено в сторону вращения основного вала.

5. При теоретической разработке предлагаемого двигателя было обнаружено, что внутренняя поверхность рабочей камеры определяется вращением вершин ротора в системе координат XOY по следующим формулам:

Xn=R·cos(αn+Z·120°)+r·cos(180°-βn);

Yn=R·sin(αn+Z·120°)+r·sin(180°-βn);

где Xn - координаты точки на оси абсцисс;

Yn - координаты точки на оси ординат;

R=5r - расстояние от центра до вершины ротора;

r - межосевое расстояние на эксцентрике вала,

αn - угловое перемещение ротора;

βn=3αn - угловое перемещение кривошипа;

Z=0; 1; 2 - значения для вершин А, В, С;

n - номер задаваемой точки.

6. Наружная поверхность ротора определяется по условию предварительно заданным точкам в первом квадранте системы координат X’О’Y’ для верхней половины участка АВ по формулам

X’к=r[19соs(γ_к:13,664)-16+0,005sin(180°tg(1,4255k+0,032k²))];

Y’к=r[19sin(γ_к:13,664)+0,6sinγ_к],

где Х’к и Y’к - координаты задаваемых точек;

19 - коэффициент радиального удаления центра построения;

γ_к - задаваемый угол построения от 0 до 180°, который определяется из условия γ_к=kΔγ, где к - номер задаваемой точки и k - величина прямо пропорциональна ей 0-30, а Δγ - шаг между двумя соседствующими точками исходного радиуса и будет соответствовать 6°;

13,664 - коэффициент концентрации поверхности построения;

16 - коэффициент компенсации удаления центра построения.

Полученные значения используем для построения поверхности ротора через угловые координаты и радиальное удаление

Координаты второй половины поверхности ротора в четвертом квадранте для Х’к остаются прежними, а для Y’к будут при k=0-(-30) противоположно отрицательными. Для создания формул, определяющих положение всех заданных точек поверхности ротора с учетом его вращения в рабочей камере, введем Р_к и λ_к в формулы п.5

Х_nк=Р_к cos(λ_к-α_n)+r cosβ_n;

Y_nк=Р_к sin(λ_к-α_n)+r sinβ_n.

7. Работу газораспределительного устройства обеспечивает система из восьми рычажно-поворотных клапанов, расположенных в карманах замкнутой перегородки рабочей камеры, которые приводятся в движение от воздействия вращающегося трехкулачкового распределительного диска, установленного на противоположном конце вала отбора мощности.

8. Сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в двух перепускных трубчатых камерах сгорания, находящихся в рубашке водяного охлаждения, концы которых замыкают карманы клапанов нагнетания и рабочего хода.

9. В предлагаемом РПД вращение ротора при контакте его наружной поверхности с внутренней границей полости рабочей камеры будет образовывать искаженные полости и определять оппозитное расположение создаваемых процессов с протеканием пяти циклов, что, в свою очередь, обеспечит работу двигателя в режиме 4-х тактного пятицилиндрового поршневого двигателя.

10. Улучшенная динамическая характеристика данного двигателя позволит получить значительное снижение оборотов на холостом ходу с сокращением расхода топлива и значительное повышение оборотов в рабочем режиме.

11. Система охлаждения двигателя будет аналогичной, за исключением значительного увеличения процесса отвода тепла с поверхностей трубчатых камер сгорания.

12. Ожидаемый ресурс наработки предлагаемого двигателя при сравнении с аналогом будет продолжительнее более чем в 2 раза по следующим причинам:

а) отсутствие зубчатой передачи для вращения ротора;

б) уменьшение давления по торцевым поверхностям ротора в 2 раза, т.к. вместо двух роторов используется один;

в) уменьшение трения скольжения наружных поверхностей ротора по внутренней поверхности рабочей камеры;

г) возможность снижения давления в 2 раза на радиально-уплотнительные пластины по причине отсутствия отрицательного радиального ускорения, создающего условия отрыва их от поверхности скольжения;

д) снижение износа наружных поверхностей ротора, внутренних и торцевых поверхностей рабочей камеры, а также торцевых и радиальных уплотнений в связи с вышеперечисленными причинами в 2 раза.

На фиг.1 изображено планетарное движение вершин ротора, определяющих траекторию внутренней поверхности рабочей камеры в системе координат ХОУ с их общим центром. При этом угловое перемещение кривошипа рассмотрено от 0 до 360° с интервалом в 15° и описано по следующим формулам:

Xn=R·cos(αn+Z·120°)+r·cos(180°-βn);

Yn=R·sin(αn+Z·120°)+r·sin(180°-βn),

где Xn - координаты точки на оси абсцисс;

Yn - координаты точки на оси ординат;

R=5r - расстояние от центра до вершины ротора;

r - межосевое расстояние центра вала и ротора;

αn - угловое перемещение ротора;

βn=3αn - угловое перемещение кривошипа;

Z=0; 1; 2 - значение для вершин А, В, С;

n - задаваемые точки.

Дальнейшее движение вершин А, В, С по исследуемым точкам во всех следующих четвертях будет аналогичным.

На фиг.2 изображено построение наружной поверхности ротора между вершинами A и B в системе координат Х’О’Y’. При этом задаем условия

f_ху=f’_ху+Δf’_ху,

где f_x=f’_x+Δf’_x, f_y=f’_y+Δf’_y;

f’_xу - задаваемая функция;

Δf’_xу - приращение к задаваемой функции;

f’_x=r[19cos(γ_к:13,664)-16];

f’_y=r l9sin(γ_к:13,664);

Δf’_x=r 0,005sin(180°tg(1,4255k+0,032k²));

Δf’_y=r 0,6sinγ_к.

Полученные результаты были использованы при построении всех трех поверхностей и проверены при планетарном вращении в рабочей камере анимационным методом на экране компьютера по программе TFLEX-CAD-2D.

На фиг.3 изображена мультипликация процессов одного полного цикла в оппозитном роторно-поршневом двигателе. Т.к. процесс протекания цикла происходит в одной половине квадратичной плоскости рабочей камеры, то для наглядности другую половину можно не рассматривать по причине повторяемости всех процессов, которые будут повернуты на 180° относительно рассматриваемой полости.

В данной мультипликации видны следующие процессы по нумерации окон:

1-6 - процесс всасывания воздушно-топливной смеси;

6-9 - процесс сжатия воздушно-топливной смеси;

9-11 - процесс проталкивания в камеру сгорания;

11-16 - процесс сжигания и рабочий ход;

16-21 - процесс выталкивания отработанного газа.

В данной мультипликации один полный цикл составляет 2,5 оборота основного вала и соответствует 900° углового перемещения кривошипа. При этом угловое перемещение вершин ротора за цикл относительно оси координат центра камеры составит 300°. Учитывая продолжительность полного цикла и чередования их через 0,5 оборота можно сделать заключение о режиме работы данного двигателя, которое определяет количество одновременно участвующих циклов:

m=n_вал: Δn_чер=2,5:0,5=5,

где n_вал - количество оборотов за цикл;

Δn_чер - шаг чередования циклов.

Это доказывает, что данный двигатель будет работать в режиме 5-ти цилиндрового поршневого двигателя.

Из соотношений вращении ротора и вала можно определить их передаточное отношение

n_рот=n’_рот+n_об=1/3+1=4/3;

N=n_об:n_рот=3/4,

где n_рот - вращение ротора относительно шейки кривошипа;

n’_рот - вращение ротора в системе координат, равное 1/3 n_об;

n_об - оборот основного вала;

N - передаточное отношение относительно рабочей камеры или неподвижной системы координат XOY.

На фиг.4 изображена конструкция РПД с оппозитными процессами циклов в двух проекциях, где внутренне расположение элементов и деталей продемонстрировано на верхней проекции с фронтальным сечением по оси вала, а в нижней проекции со снятием верхней торцевой крышки корпуса двигателя.

Тороидальный ротор поз.1, из материала ЧХ32, с выполненными в нем проемами для прохождения потока охлаждающего воздуха между объединенными литьем элементами, состоит из обода, радиально-стержневых ребер и центральной втулки наружной обоймы подшипника скольжения. При этом он установлен на шейке кривошипа основного вала поз.2, состоящего из двух элементов материала Ст15Х, где их соединение на границе шейки кривошипа в верхней серьге будет обеспечена крепежно-резьбовым соединением из Ст5. Замкнутая перегородка рабочей камеры поз.3, состоящая из материала ЧХ32, обжатая по торцевым поверхностям в расточках торцевыми крышками поз.6 и 7 корпуса двигателя с применением прокладочно-несгораемого материала поз.41, состоящего из цветного металла.

Торцевые крышки в своей основе по внутренним элементам с прилегающими поверхностями состоят из материала ЧХ32. В полых конструкциях крышек предусмотрено охлаждение нагреваемых сторон, прилегающих к рабочей камере, а также для сбора в одной и распределения потока охлаждающей жидкости в другой полости рубашки водяного охлаждения. Поток охлаждающей жидкости, замкнутый через отводящий и подающий трубопроводы поз.25 и 26 из материала АКЧ, обеспечивает отвод тепла во внешнюю среду. В центральной части каждой торцевой крышки расположено по одной сквозной втулке наружной обоймы подшипника скольжения поз.40 и прилегающие к ним по окружности сквозные каналы поз.4 для обеспечения потока воздуха охлаждения внутренних полостей ротора, рабочей камеры и вала. Ограждение рубашки водяного охлаждения поз.39 обеспечивается замкнутой перегородкой поз.8 из материала АКЧ, обжатой по торцевым поверхностям торцевыми крышками корпуса, а также дисковыми перегородками поз.37 на наружной поверхности, закрывающих торцевые крышки из того же материала, обжатых крепежным соединением поз.30 из Ст40Х. К наружной поверхности нижней торцевой крышки присоединен дополнительный корпус поз.9 из Ст30, для разделения отводимого воздушно-масляного потока из внутренней полости камеры и устройства системы сцепления. В нижней центральной части дополнительный корпус имеет втулочное отверстие для подшипника скольжения ведомого вала, а также крепление рубашки для разделения воздушно-масляного потока поз.21 из Ст30 и отделения и выноса нагретого охлаждающего воздуха через полость коллектора поз.38. Масло, сконденсированное в донной части полости поз.24, отводится по трубке поз.23 в свою систему охлаждения. Из сборочного коллектора очищенный воздух по трубопроводу поз.22 направляется в карбюратор двигателя для утилизации. При этом поступление свежего воздуха происходит через отверстия в защитном кожухе поз.14 и далее через воздушный фильтр поз.11 попадает в систему охлаждения. Движение охлаждающего воздушного потока будет обеспечено за счет вращения основного вала и создаваемого разрежения на тыльной стороне закрепленной ведущей упорной пяты поз.15 с лопаточным оребрением по типу центробежного колеса, с функцией воздушного нагнетателя. Передача вращения под нагрузку будет обеспечиваться в осевом направлении через фрикционный диск поз.16, установленного на ведущей пяте. Ведомая упорная пята поз.17, сблокированная с рычажно-поворотным устройством поз.20, имеет продольное перемещение по шлицам ведомого вала поз.19 из Ст15Х и поджимающей ее пружины поз.18 из стали 60С2.

Оппозитное газораспределение для одновременно происходящих 5-ти цикловых процессов обеспечено рычажно-поворотными устройствами поз.13 из Ст15Х, при воздействии на них трехкулачкового диска поз.12 из Ст15Х, который закреплен на противоположном конце основного вала между воздушным фильтром и верхней торцевой крышки корпуса. При этом работа каждого клапана для всех циклов будет определена по месту их расположения на перегородке рабочей камеры: для всасывания поз.31, для сжатия и нагнетания поз.32, для рабочего хода поз.33 и для выхлопа отработанных газов поз.34.

Выносные трубчатые камеры сгорания поз.27, состоящие из материала ВТЗ-1 или Н70МФ, будут образовывать пространства для сжигания воздушно-топливных смесей. Начала процессов горения воздушно-топливных смесей будет осуществляться при электрических разрядах на свечах зажигания поз.28, установленных по резьбовым соединениям в гнездах камер сгорания.

Получение электроэнергии для собственных нужд будет обеспечено генератором поз.10, который расположен на защитном кожухе во внутреннем пространстве воздушного фильтра.

Запуск РПД предлагается осуществлять стартовым двигателем устанавливаемого с соблюдением герметичности соединения на примыкающем корпусе поз.42 из Ст30 к дополнительному корпусу двигателя. Передача вращения от него к ведущей упорной пяте будет обеспечиваться через промежуточную шестерню поз.43 из Ст40Х. Вал поз.44, жесткосвязаный с промежуточной шестерней, служит для передачи вращения на маслонасос поз.45 системы смазки подшипников скольжения и системы уплотнения ротора в рабочей камере.

На фиг.5 изображен внешний вид силового агрегата в двух проекциях, где 1 - основной корпус двигателя, 2 - дополнительный корпус, 3 - коробка переключения скоростей, 4 - коробка главной передачи, 5 - карбюратор, 6 - стартер, 7 - коллектор подачи воздушно-топливной смеси, 8 - коллектор отводящий отработанные газы.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из корпуса, одноступенчатого коленчатого вала и свободно вращающегося на шейке его кривошипа ротора в полости квадратичной камеры. Согласно изобретению, корпус двигателя выполнен в виде двух элементов замкнутых перегородок квадратичного типа, входящих одна в другую, а также замыкающих их двух торцевых крышек, которые обжимают эти перегородки. При этом полость, образованная малой замкнутой перегородкой, служит рабочей камерой, а полость между перегородками служит рубашкой водяного охлаждения. Причем сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в перепускных трубчатых камерах сгорания, находящихся в рубашке водяного охлаждения и замыкающих карманы клапанов нагнетания и рабочего хода. 6 ил.

Четырехтактный роторно-поршневой двигатель, состоящий из корпуса, одноступенчатого коленчатого вала и свободно вращающегося на шейке его кривошипа ротора в полости квадратичной камеры, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен в виде двух элементов замкнутых перегородок квадратичного типа, входящих одна в другую, а также замыкающих их двух торцевых крышек, которые обжимают эти перегородки, при этом полость, образованная малой замкнутой перегородкой, служит рабочей камерой, а полость между перегородками служит рубашкой водяного охлаждения, причем сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в перепускных трубчатых камерах сгорания, находящихся в рубашке водяного охлаждения и замыкающих карманы клапанов нагнетания и рабочего хода.