ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F01C1/22 F01C17/02 F01C17/06 F16H1/32 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Известен четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания (Е.В.Михайловский, К.Б.Серебряков, Е.Я.Тур. Устройство автомобиля, Москва, Машиностроение, 1985, стр.16-19 (1)), содержащий, по меньшей мере, одну поршневую секцию кривошипно-шатунного механизма, состоящую из статора, в котором с возможностью вращения относительно собственной - коренной оси установлен эксцентриковый вал, представляющий собой цилиндрический стержень. Ведущим программным и силовым элементом вала является его прямолинейный рычаг, в профиле расположенный между коренной осью вала - точкой опоры рычага и параллельной ей осью - точкой приложения усилия другого цилиндрического стержня - эксцентрика, жестко закрепленного на валу. Этот рычаг - эксцентриситет эксцентрика вала - кинематически связан через шатун с поршнем, днище которого является подвижной стенкой рабочей полости секции механизма.

Газообразное рабочее тело совершает колебательное изменение своего объема в замкнутом пространстве рабочей полости между днищем поршня, а также стенками и головкой цилиндра. Для связи замкнутой рабочей полости с атмосферой в организации открытого термодинамического цикла рабочего тела в головке цилиндра выполнены впускной и выпускной газовые каналы. В рабочей полости они изолируются от атмосферы клапанами, открывающими и закрывающими эти каналы по программе газораспределительного механизма, частью которого являются и сами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является четырехтактный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания Ванкеля (С.Н.Богданов, М.М.Буренков, И.Е.Иванов. Автомобильные двигатели, Москва, Машиностроение, 1987, стр.356-358 (2), Авто ревю, №2 (281), 2003, стр.28-33 (3)), содержащий, по меньшей мере, одну роторную секцию, состоящую из статора, в котором с возможностью вращения относительно собственной - коренной оси установлен эксцентриковый вал. Цилиндрический эксцентрик вала роторно-поршневого двигателя представляет собой кольцо, имеющее внешнюю окружность и эксцентрическую ей внутреннюю окружность, которой эксцентрик, будучи жестко закрепленным на цилиндре вала с возможностью вращения относительно его коренной оси, установлен в статоре. На внешней окружности эксцентрика с возможностью вращения установлен трехгранный ротор с равным количеством вершин и одинаковых по размерам граней. На одной из плоскостей призмы ротора соосно жестко закреплена шестерня с внутренними зубьями. Внутри и в зацеплении с ней на плоскости рабочей полости статора и соосно с коренной осью вала жестко закреплена меньшая по диаметру шестерня с наружными зубьями. Отношение диметров шестерен статора и ротора равно 2 к 3. При вращении вала в профиле секции происходит планетарное перемещение ротора в плоскости, перпендикулярной коренной оси вала, в котором вершины ротора описывают симметричную замкнутую линию - эпициклоиду, имеющую чередующиеся вогнутые и выпуклые относительно коренной оси вала сектора своего профиля. Вершины ротора скользят вдоль эпициклоиды профиля статора. Профиль граней ротора определяется вогнутыми в сторону коренной оси вала участками эпициклоиды профиля статора, касающимися граней движущегося ротора. В середине каждой грани выполнена выемка дугообразного профиля, шириной около половины высоты призмы ротора.

Профиль эпициклоиды статора роторно-поршневого двигателя имеет одну большую и одну малую ось своей симметрии. В секторах малой оси симметрии находятся два вогнутых в сторону коренной оси вала сектора профиля эпициклоиды. Около одного из этих секторов выполнены окна впуска и выпуска рабочего тела, около другого вогнутого сектора установлена, по меньшей мере, одна свеча зажигания. Во избежание коробления эпициклоиды и для уменьшения вероятности взаимного перекрытия каналов впуска и выпуска рабочего тела окна впуска и выпуска выполнены на плоскости статора.

Как и в секции поршневого двигателя, так и в секции роторно-поршневой секции Ванкеля эксцентрик пространственно позиционирует относительно коренной оси вала динамический элемент конструкции, принимающий усилия работающего над его гранью газа, а также воспринимает на себя и гасит мощные силовые импульсы начальной стадии подвода теплоты к массе рабочего тела в камере сгорания двигателя.

Известно, что при импульсном сжигании одинакового количества топлива и равном числе оборотов вала наибольшим вращающим моментом вала и наилучшей равномерностью его вращения обладает тот двигатель внутреннего сгорания, в каждой секции которого воспроизводится наибольшее количество тактов рабочего хода.

Так в секции четырехтактного поршневого двигателя его механизм позволяет выполнять один рабочий ход за два полных оборота вала. А в секциии более эффективного механизма четырехтактного роторно-поршневого двигателя один рабочий ход осуществляется за один полный оборот вала.

В известных поршневом и роторно-поршневом механизмах во время рабочего хода переменная по величине результирующая сила Р воздействия нагретых газов на грань ротора в точке ее приложения, лежащей на оси ротора, раскладывается на две составляющие: нормальную N, направленную по линии эксцентриситета и в подшипнике ротора на эксцентрике, непосредственно тормозящую вращение вала и перпендикулярную к ней тангенциальную составляющую Т, создающую именно тот самый вращающий момент силового вала, который из всего этого только и нужен механической нагрузке двигателя. Плечом рычага для этого момента является неизменный по величине эксцентриситет е эксцентрика вала. Этот рычаг через грань ротора не только воспринимает усилие нагретого рабочего тела, но и передает это усилие через вал на механическую нагрузку двигателя.

Причем превышение вращающей составляющей Т над тормозящей составляющей N в поршневой секции наступает только через 34 градуса поворота эксцентрика после верхней мертвой точки, в роторно-поршневой секции с трехгранным ротором - через 67,5 градуса, а у роторно-поршневой секции с пятигранным ротором - через 56,25 градуса поворота эксцентрика после верхней мертвой точки. Поэтому в этих устройствах после начала подвода теплоты к рабочему телу, условно в момент нахождения эксцентрика в верхней мертвой точке, на протяжении этих углов поворота своего эксцентрика за счет накопленной инерции вращения своего маховика и частично действия вращающей составляющей Т вал секции преодолевает наибольшее сопротивление своему вращению со стороны преобладающей тормозящей составляющей N работающего над гранью ротора собственного рабочего тела, обладающего в этот момент наибольшим запасом подведенной к нему тепловой энергии.

Более эффективное использование энергии нагретого рабочего тела достигается в предложенном техническом решении, в рабочей полости секции роторно-поршневого двигателя с трехгранным ротором которого достигается воспроизводство трех рабочих ходов за один оборот вала, а в секции с пятигранным ротором - пяти рабочих ходов за один полный оборот вала.

Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания объемного вытеснения.

Указанная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, одну роторную секцию, состоящую из статора, внутри которого с возможностью вращения относительно собственной - коренной оси установлен цилиндрический вал, а также цилиндрический кольцевой эксцентрик, имеющий внешнюю окружность и эксцентрическую ей внутреннюю окружность, которой эксцентрик с возможностью вращения относительно коренной оси вала установлен в статоре, а на его внешней окружности с возможностью вращения и соосно с ней установлен ротор, представляющий собой призму, центры двух плоских взаимно параллельных оснований которой лежат на оси эксцентрика, а профиль ротора относительно центра основания его призмы представляет собой симметричную звезду с равным между собой количеством вершин и граней, при этом на одной плоскости призмы ротора и соосно с ее центром жестко закреплена программная шестерня ротора с внутренними зубьями, которая находится снаружи и в зацеплении с меньшей по диаметру программной шестерней статора с внешними зубьями, жестко закрепленной на плоскости статора и соосно с коренной осью вала двигателя, при этом газообразное рабочее тело расположено в рабочей полости секции между гранями ротора, плоскостями и эпициклоидой статора, которая в профиле относительно коренной оси вала представляет собой замкнутую и симметричную линию траектории планетарного перемещения вершин профиля ротора при вращении вала, согласно изобретению каждая его секция дополнительно снабжена парой силовых шестерен, из которых меньшая по диаметру силовая шестерня с внешними зубьями соосно и жестко закреплена на цилиндрическом валу и находится внутри и в зацеплении с большей по диаметру силовой шестерней с внутренними зубьями, соосно и жестко закрепленной внутри ротора.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1, 2 изображена кинематическая схема предложенной роторной секции с пятигранным ротором.

На фиг.3 представлен вид в профиле предложенной секции двигателя с пятигранным ротором.

Поставленная задача решается в предложенном механизме роторной секции, в которой эксцентрик 1 исключается из узла передачи механического усилия работающего газа на вал двигателя и обратно от вала к газу путем разрыва жесткой механической связи между эксцентриком 1 и валом 2. В этом случае эксцентрик 1 теряет одну из трех своих функций в механизме секции. Он больше не является силовым элементом, но по-прежнему остается программным и демпфирующим элементом устройства.

При соблюдении описанных условий соосности в каждой секции отношение диаметров дополнительных силовых шестерен цилиндрического вала и ротора может быть представлено в виде отношения любых чисел. Однако в двигателе внутреннего сгорания для настройки совместной работы с программными механизмами зажигания и подачи топлива необходимо, чтобы длины их диаметров были кратны длине эксцентриситета "е", и сами числа отношения были целыми, например 2:3, 3:5 и так далее.

В предложенном техническом решении величина вращающего момента М вала 2 равна величине вращающего момента ротора 3, без учета потерь на трение (фиг.3).

Вращающий момент ротора М является произведением величины результирующей силы Р воздействия нагретых газов на грань ротора и плеча "m" рычага ротора, представляющего собой перпендикуляр, проведенный из точки опоры рычага, в которой в конкретный текущий момент своего вращения программная шестерня 5 ротора 3 зафиксирована на конкретном луче неподвижной программной шестерни 4 статора, к прямой вектора действия результирующей силы Р, исходящего из точки ее приложения, то есть от оси ротора 3.

Вращающий момент вала М представляет собой произведение величины вращающего (тангенциального) усилия Т цилиндрического вала 2 и плеча "n" рычага дополнительной силовой шестерни 6 вала, соединяющего опорную для этого рычага точку коренной оси вала 2 с текущей точкой механического контакта дополнительных силовых шестерен 6 и 7, которая является точкой приложения вращающего шестерню 6 вала усилия Т, исходящего от шестерни 7 ротора 3.

В процессе рабочего хода нагретая масса рабочего тела, находящаяся в рабочей полости над верхней гранью ротора 3 (фиг.3), совершает механическую работу по перемещению ротора 3, и вращающий момент М равен:

M=P·m=T·n.

При планетарном движении ротора 3 по часовой стрелке (фиг.3) силовая шестерня 7 ротора принуждает силовую шестерню 6 вместе с валом 2 вращаться против часовой стрелки относительно коренной оси вала 2. При отношении диаметров силовых шестерен 6 вала и 7 ротора, равном 2:3, один полный оборот ротора 3 по часовой стрелке соответствует одному полному обороту цилиндрического вала 2 против часовой стрелки. Таким образом, в предложенной секции пятигранного ротора за один оборот ее цилиндрического вала в ее рабочей полости совершается пять процессов рабочего хода.

Для получения желательно большего вращающего усилия Т на валу плечо n рычага силовой шестерни 6 вала должно быть как можно меньше, но настолько, насколько позволяет выбранная величина диаметра силового цилиндрического вала 2.

Еще большую эффективность предложенного двигателя подчеркивает тот факт, что его механизм работает как силовой повышающий редуктор, преобразуя вращающее усилие ротора 3 при большем плече рычага "m" в большее по величине вращающее усилие вала 2 при меньшем плече рычага "n" (фиг.3), которое и передается механической нагрузке двигателя.

При этом, по сравнению с классической схемой роторно-поршневого двигателя с эксцентриковым валом, предложенное техническое решение обладает следующими дополнительными преимуществами.

В процессе рабочего хода ротор воспринимает вращающее воздействие всего результирующего усилия Р сразу после прохождения им верхней мертвой точки, как только появляется хотя бы минимальный рычаг в профиле между точкой контакта программных шестерен 4 и 5 и вектором усилия Р, вплоть до момента открытия выпускного окна полости расширения, то есть практически во всем возможном рабочем секторе поворота переменного по величине рычага "m" ротора, вплоть до m=5е, в диапазоне поворота эксцентрика при расширении рабочего тела от минимального до максимально возможного объема полости расширения.

Инерционная масса ротора 3 полностью исключается из узла силового вала 2, упрощая конструкцию вала, который, являясь цилиндрическим, не нуждается в дополнительной балансировке.

Двигателю уже не надо вырабатывать дополнительную механическую энергию, идущую на преодоление мощных сил торможения вала со стороны нагретого рабочего тела и собственного механизма.

Уменьшается масса маховика.

В отношении нагрузки вал всего лишь одной секции двигателя с пятигранным ротором активен на протяжении 225 градусов за один оборот вала.

По принципу передачи усилий между рабочим телом и силовым узлом механизма - это уже не роторно-поршневой, но роторный двигатель.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, одну роторную секцию, состоящую из статора, внутри которого с возможностью вращения установлен цилиндрический вал, а также цилиндрический кольцевой эксцентрик. Эксцентрик имеет внешнюю окружность и эксцентрическую ей внутреннюю окружность, которой эксцентрик с возможностью вращения относительно коренной оси вала установлен в статоре. На внешней окружности эксцентрика с возможностью вращения и соосно с ней установлен ротор. Ротор представляет собой призму, центры двух плоских взаимно параллельных оснований которой лежат на оси эксцентрика. Профиль ротора относительно центра основания его призмы представляет собой симметричную звезду с равным между собой количеством вершин и граней. На одной плоскости призмы ротора и соосно с ее центром жестко закреплена программная шестерня ротора с внутренними зубьями, которая находится снаружи и в зацеплении с меньшей по диаметру программной шестерней статора с внешними зубьями, жестко закрепленной на плоскости статора и соосно с коренной осью вала двигателя. Каждая секция двигателя дополнительно снабжена парой силовых шестерен, из которых меньшая по диаметру силовая шестерня с внешними зубьями соосно и жестко закреплена на цилиндрическом валу и находится внутри и в зацеплении с большей по диаметру силовой шестерней с внутренними зубьями, соосно и жестко закрепленной внутри ротора. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. 3 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну роторную секцию, состоящую из статора, внутри которого с возможностью вращения относительно собственной - коренной оси установлен цилиндрический вал, а также цилиндрический кольцевой эксцентрик, имеющий внешнюю окружность и эксцентрическую ей внутреннюю окружность, которой эксцентрик с возможностью вращения относительно коренной оси вала установлен в статоре, а на его внешней окружности с возможностью вращения и соосно с ней установлен ротор, представляющий собой призму, центры двух плоских взаимно параллельных оснований которой лежат на оси эксцентрика, а профиль ротора относительно центра основания его призмы представляет собой симметричную звезду с равным между собой количеством вершин и граней, при этом на одной плоскости призмы ротора и соосно с ее центром жестко закреплена программная шестерня ротора с внутренними зубьями, которая находится снаружи и в зацеплении с меньшей по диаметру программной шестерней статора с внешними зубьями, жестко закрепленной на плоскости статора и соосно с коренной осью вала двигателя, при этом газообразное рабочее тело расположено в рабочей полости секции между гранями ротора, плоскостями и эпициклоидой статора, которая в профиле относительно коренной оси вала представляет собой замкнутую и симметричную линию траектории планетарного перемещения вершин профиля ротора при вращении вала, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы, каждая его секция дополнительно снабжена парой силовых шестерен, из которых меньшая по диаметру силовая шестерня с внешними зубьями соосно и жестко закреплена на цилиндрическом валу и находится внутри и в зацеплении с большей по диаметру силовой шестерней с внутренними зубьями, соосно и жестко закрепленной внутри ротора.