СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F01C1/22 F01C17/00 

Предметом изобретения является система управления поршнем роторно-поршневого двигателя (машины) с однодуговой трохоидой в качестве рабочей дорожки корпуса.

В роторно-поршневых двигателях, таких как двигатель Ванкеля, обычно управление кинематикой поршня осуществляется за счет расположения в поршне большого зубчатого колеса с внутренним зубчатым венцом, которое находится в зацеплении с малым зубчатым колесом и закреплено на боковой стенке корпуса. Через малое зубчатое колесо одновременно проходит эксцентриковый вал для отбора мощности мотора. Поршень установлен на центральном радиальном подшипнике на эксцентрике, так что поршень может вращаться вокруг передающего мощность вала и одновременно - принуждаясь зубчатым зацеплением обоих зубчатых колес - также вращается вокруг самого себя. В известном двигателе Ванкеля диаметры зубчатых колес - а именно имеющего внутренние зубья колеса и имеющего внешние зубья колеса на корпусе - имеют соотношение 3 к 2, вследствие чего получается двухдуговая трохоида в качестве рабочей дорожки корпуса.

Для больших изменений объема особенно пригодны роторно-поршневые двигатели, рабочие дорожки корпуса которых имеют форму однодуговой трохоиды. Здесь соотношение диаметров имеющего внутренние зубья колеса в поршне к имеющему внешние зубья колесу на корпусе составляет 2 к 1. Поршень двигателя имеет двуугольную форму. Недостатком здесь оказалось то, что при неподходящем расположении отверстия для обмена средой могут возникать короткозамкнутые течения между впуском и выпуском. Короткозамкнутые течения могут устраняться за счет осуществления обмена средой через боковые отверстия в боковой стенке корпуса. Правда, двуугольный поршень имеет лишь незначительную поверхность, и это приводит к тем сложностям, что боковые отверстия расположены так, что они одновременно закрываются или, соответственно, открываются в связи с движением поршня.

Эта сложность возникает даже в случае аналогичных машин, которые в прямом смысле не являются роторно-поршневыми двигателями. Примером такого типа двигателей является машина с вращающимся ротором австралийской фирмы Katrix Pty Ltd. Кроме того, в качестве негативного момента здесь следует рассматривать то, что поршень соединен с передающим мощность валом посредством сдвиговой направляющей. В таком случае существует возможность выбора любой рабочей дорожки корпуса, правда, если только при вращении поршня гарантировано, что вершины поршня всегда направляются по контуру дорожки. Однако в таком случае результирующая газовая сила через сдвиговую направляющую передается на передающий мощность вал. Следствием такого расположения является высокое трение в паре скольжения, связанное с высоким износом конструктивных элементов. В соответствии с этим результирующая сила в случае роторно-поршневого двигателя постоянно действует на эксцентрик, так что за счет этого можно отказаться от проходящего сквозь двигатель передающего мощность вала.

Далее, известно управление кинематикой поршня в случае роторно-поршневых двигателей с рабочей канавкой корпуса в форме однодуговой трохоиды, которая поясняется посредством фиг.1. Особое свойство этого роторно-поршневого двигателя состоит в передаточном отношении обоих зубчатых колес в соотношении 2 к 1. Математическая закономерность образования способствует в данных обстоятельствах тому, что проходящая через поршень воображаемая продольная ось 6 всегда проходит через неподвижную относительно корпуса точку 3, а также проходящая через поршень поперечная ось 7 постоянно проходит через неподвижную относительно корпуса точку 4. Точки 3 и 4 одновременно представляют собой точки декартовой системы координат с осями 8 и 9. Для вращения передающего мощность вала с центральной точкой 5 теперь не имеет значения, вызывается ли вращение поршня вокруг самого себя за счет взаимодействия двух зубчатых колес 10 и 11 или посредством сдвиговых направляющих поршня через точки 3 и 4.

Во всех случаях результирующая газовая сила у поршня проходит постоянно через эксцентриковую центральную точку и имеет плечо относительно точки 5 вращения передающего мощность вала. Эксцентриситет роторно-поршневого двигателя представляет собой расстояния между точками 3, 4 и центральной точкой 5. Вершины поршня остаются свободными от направляющих усилий. Этот кинематический принцип уже раскрыт в DD 95574 А.

Фиг.2 показывает, что также могут выбираться другие точки вращения на боковой стенке корпуса для осуществления функции поворотной сдвиговой направляющей. На фиг.2 оси 12 и 13 проходят через поворотные сдвигающие точки 14 и 15. Оси 12 и 13 поворачиваются относительно осей 6 и 7 симметрии на фиг.1 на некоторый угол. Этот угол может выбираться произвольно в соответствии с желаемой позицией поворотных сдвигающих точек на боковой стенке корпуса.

Хотя управление кинематикой поршня роторно-поршневого двигателя с однодуговым контуром корпуса с зубчатыми колесами наряду с поршнем представляет собой элегантное и надежное решение как за счет проходящего насквозь передающего мощность вала, так и в случае не проходящего насквозь передающего мощность вала посредством расположения большого имеющего внешние зубья колеса наряду с эксцентриком занимается большая поверхностная область, которая больше не доступна для целей обмена средой на боковой поверхности поршня.

Следовательно, целью изобретения является предоставление решений, как посредством других управляющих систем может выполняться обмен средой через боковые поверхности, в частности, в случае очень малых двигателей/машин и при отказе от сквозного передающего мощность вала.

Заявленное решение характеризуется тем, что сдвиговая направляющая расположена внутри поршня так, что только направляющая цапфа, которая расположена в боковой стенке корпуса, выступает в поршень через одно минимальное центральное отверстие в боковой поверхности поршня и образует во внутреннем пространстве поршня вместе с направляющими дорожками вращательно-сдвиговую направляющую.

В одном другом выполнении заявленное решение состоит в том, что в стороне поршня выполнен прямой, проходящий через центральную точку поршня паз под произвольным углом, в котором расположена поворотная цапфа, одновременно служащая подводом среды. Для этого поворотная цапфа выполнена в виде трубы, а также на входящем в паз конце притуплена до ширины паза. Подвод среды в двигатель осуществляется управляемым образом через трубчатый канал, как только в процессе движения будет достигнута определенная позиция между поворотной цапфой и направляющим пазом, например определенный угол поворота поршня, таким образом, что посредством находящегося в поршне направляющего канала, который в таком случае приходит в перекрытие с поворотной цапфой, среда направляется в рабочее пространство двигателя.

Другая заявленная отличительная особенность состоит в том, что управление кинематикой поршня осуществляется посредством того, что две двойные крестовые кулисы расположены в плоскости движения поршня так, что два кулисных камня, которые соединены друг с другом посредством сочленяющего поводка, могут перемещаться в обеих крестовых кулисах, в то время как поршень и вращательная тарелка, в которой находится одна из упомянутых крестовых кулис, поворачиваются в одинаковом направлении вращения с одинаковой угловой скоростью. Для этого необходимо, чтобы центральные точки сочленяющих опор поводка имели между собой расстояние эксцентриситета двигателя, заданное посредством расстояния между центральной точкой эксцентрика в поршне и центральной точкой передающего мощность вала, а также чтобы неподвижная относительно корпуса крестовая кулиса имела общую ось вращения с передающим мощность валом. Вследствие этого может реализовываться особенно малое уменьшение боковой поверхности поршня, которая предоставлена в распоряжение для бокового впуска сред.

Одна заявленная отличительная особенность состоит в том, что неподвижная относительно корпуса цилиндрическая цапфа выступает в боковое центральное отверстие поршня, а в центре этого отверстия расположена другая цилиндрическая неподвижная относительно поршня цапфа, причем неподвижная относительно поршня цапфа имеет двойной диаметр неподвижной относительно корпуса цапфы, а также в том, что обе цапфы имеют зубчатый венец и вокруг обеих цапф проложен зубчатый ремень, так что при вращении поршня осуществляется относительное вращение вокруг передающего мощность вала. Боковое отверстие в поршне гарантирует большую свободную поверхность в поршне для расположения органов для обмена средой в стенке корпуса.

В одном другом заявленном решении управление кинематикой поршня осуществляется за счет того, что вместо зубчатого ремня зубчатое колесо в качестве промежуточного колеса соединяет обе снабженные зубчатыми венцами цапфы.

Соответствующие изобретению решения описываются на примерах осуществления, исходя из определений для уровня техники согласно фиг.1 и 2, которые показывают роторно-поршневой двигатель с рабочей дорожкой корпуса в форме однодуговой трохоиды (фиг.1), и что также могут выбираться другие поворотные точки на боковой стенке корпуса для функции поворотной сдвиговой направляющей (фиг.2).

Относительно фиг.3 и 4 (разрез через фиг.3).

Поршень 1 насажен на эксцентрик 19. Он на обращенной от передающего мощность вала стороне имеет идущий через центральную точку поршня паз с направляющими дорожками 17, с помощью которых направляется ползун 18. Поворотная цапфа 16 выступает в поршень 1 так, что требующие большого конструктивного пространства дорожки 17 скольжения не уменьшают за счет необходимой степени свободы движения поворотной цапфы 16 боковую поверхность на поршне 1 для бокового управления средой.

Вследствие действующих усилий среды поршень обращается вокруг передающего мощность вала. При этом поршень направляется посредством эксцентрика 19. Одновременно поршень 1 должен вращаться вокруг эксцентрика 19, соответственно направляющему зацеплению ползуна 18. Ползун 18 перемещается, относительно поршня 1, в направляющей дорожке 17 между концевыми положениями паза поршня при полном обороте поршня 1. Так как результирующее усилие среды постоянно проходит через центральную точку эксцентрика 19, то пара 17, 18 скольжения представляет собой теоретически не передающий силовое воздействие податливый шарнир. Это касается как выполнения свободно вращаемой поворотной цапфы 16, на которой неподвижно расположен ползун 18, так и выполнения жестко соединенной с корпусом поворотной цапфы 16, на которой может свободно вращаться ползун 18. Однако в действительности возникают незначительные усилия в управляющих конструктивных элементах вследствие механического трения в передающих мощность конструктивных элементах.

Относительно фиг.5 и 6 (разрез фиг.5), 7, 8 (разрез поршня 1) и 9.

Этот вариант осуществления направляющей поршня соединяет принцип вращательно насаженного на неподвижную поворотную цапфу кулисного камня 20 с прямым подводом среды через поворотную цапфу 21. Для этой цели поворотная цапфа 21 имеет отверстие 22 и боковое отверстие 23 для подвода среды к кулисному камню 20. В определенном положении при вращении поршня 1 кулисный камень 20 приходит к совмещению отверстия 23 поворотной цапфы 21 и направленного к верхнему, узкому рабочему пространству двигателя каналом 25. Геометрическое согласование отверстия и, соответственно, каналов 23, 24 рассчитано на поворотное угловое положение поршня 1 так, что осуществляется наполнение рабочего пространства.

Посредством осуществляемого снаружи вращения поворотной цапфы 21 в ее расположенной со стороны корпуса опоре угол поворота и длительность наполнения изменяются технически целесообразным образом.

Относительно фиг.10 и 11.

Внутри поршня 1 и в боковой середине поршня находится крестовая кулиса 26, в которой перемещаются кулисные камни 28, 29. Кулисные камни 28, 29 выполнены в виде двойных камней, которые имеют в середине валовую часть, которая служит в качестве опоры для сочленяющего поводка 30. Кулисные камни 28, 29 одновременно перемещаются в крестовой кулисе 27. Между обеими крестовыми кулисами имеется расстояние в плоскостях, которое позволяет прохождение сочленяющего поводка 30.

Вращательная тарелка 31, в которой расположена крестовая кулиса 27, имеет свою неподвижную относительно корпуса точку вращения в точке 5, через которую одновременно проходит поворотная ось передающего мощность вала двигателя. Посредством такого расположения достигается то, что боковое отверстие 32 в поршне 1 может ограничиваться величиной диаметра, которая следует из двухкратного эксцентриситета двигателя и радиуса поворотной опорной цапфы 33 и, таким образом, является условием для свободного выполнения бокового впуска среды на стороне поршня.

Расстояние между центральными точками опор сочленяющего поводка 30 для случая однодуговой трохоидной рабочей дорожки роторно-поршневого двигателя является идентичным его эксцентриситету.

На фиг.10 эксцентриситет соответствует расстоянию между центральной точкой эксцентрика 35 и центральной точкой вращательной тарелки 31.

Для свободы движения вращательной тарелки 31 внутри поршня 1 выполнено отверстие 34 с соответствующей высотой конструктивного элемента.

Относительно фиг.12 и 13.

Ход поршня 1 в трохоидной рабочей дорожке корпуса 2 достигается здесь за счет расположения в боковой корпусной части двигателя неподвижной относительно корпуса цилиндрической цапфы 16, которая установлена соосно относительно передающего мощность вала и выступает в отверстие 32 поршня 1 так, что при вращении поршня вокруг его оси возникает свобода движения. В отверстии 32 соосно с осью поршня находится цилиндрическая, неподвижная относительно поршня цапфа 36. Соотношение диаметров обоих цапф составляет 1 к 2 и тем самым соответствует математическому условию для создания однодуговой трохоиды. Цапфа 16 на корпусе и цапфа 36 на поршне 1 снабжены зубчатыми венцами, так что вокруг обеих цапф может укладываться зубчатый ремень, который без проскальзывания при вращении передающего мощность вала создает вращение поршня 1 вокруг его оси с одинаково направленной половинчатой угловой скоростью передающего мощность вала. С помощью размеров отверстия 32 может достигаться минимальное ограничение боковой поверхности поршня.

Относительно фиг.14 и 15.

Это расположение соответствует планетарной зубчатой передаче с тремя валами, состоящей из зубчатого колеса 38, которое концентрично закреплено на неподвижной относительно корпуса цапфе 16, из неподвижного относительно поршня зубатого колеса 39, которое соосно с осью поршня, промежуточного колеса 40, а также водила 41, закрепленного на зубчатом колесе. Передаточное отношение колес 38 и 39 составляет 1 к 2, так что при вращении передающего мощность вала поршень 1 однонаправленно вращается с половинной угловой скоростью. Эта передаточная система может перемещаться в минимальном отверстии 32 (см. фиг.13) сбоку в поршне.

Список ссылочных позиций

1 Поршень

2 Корпус

3 Сдвиговая точка, неподвижная относительно системы координат

4 Сдвиговая точка, неподвижная относительно системы координат

5 Центральная точка передающего мощность вала

6 Координатная ось на поршне

7 Координатная ось на поршне

8 Координатная ось, неподвижная относительно системы координат

9 Координатная ось, неподвижная относительно системы координат

10 Начальная окружность имеющего внутренние зубы колеса

11 Начальная окружность имеющего внешние зубы колеса

12 Координатная ось на поршне

13 Координатная ось на поршне

14 Сдвиговая точка, неподвижная относительно системы координат

15 Сдвиговая точка, неподвижная относительно системы координат

16 Поворотная цапфа, неподвижная относительно системы координат

17 Направляющая дорожка в поршне

18 Ползун на поворотной цапфе 16

19 Эксцентрик передающего мощность вала

20 Кулисный камень, поворачиваемый на поворотной цапфе 21

21 Поворотная цапфа

22 Отверстие для подвода среды в поворотной цапфе 21

23 Отверстие для среды в поворотной цапфе 21

24 Отверстие для среды в кулисном камне 20

25 Канал для среды в поршне 1

26 Крестовая кулиса, расположенная в поршне 1

27 Крестовая кулиса, расположенная в боковой стенке корпуса

28 Кулисный камень

29 Кулисный камень

30 Сочленяющий поводок

31 Тарелка крестовой кулисы 27

32 Боковое отверстие в поршне 1

33 Поворотная опора вращательной тарелки 31

34 Свободное вращение в поршне для вращательной тарелки 31

35 Центральная точка поршня 1

36 Зубчатый диск в поршне 1

37 Зубчатый ремень

38 Зубчатое колесо, неподвижное относительно корпуса

39 Зубчатое колесо в поршне 1, неподвижное

40 Промежуточное колесо

41 Водило на колесе 39 для удержания промежуточного колеса 40

Изобретение относится к системам управления роторно-поршневого двигателя. Система управления роторно-поршневого двигателя с однодуговой трохоидой в качестве рабочей дорожки корпуса и с двуугольным поршнем выполнена посредством использования неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса. Вращательно-сдвиговая направляющая может вращаться вокруг неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса и состоит из кулисного камня и направляющей кулисы. Вращательно-сдвиговая направляющая так расположена внутри поршня, что только минимальное отверстие требуется в стороне поршня и максимальная часть поверхности стороны поршня находится в распоряжении для бокового обмена средой роторно-поршневого двигателя. Изобретение направлено на создание систем управления роторно-поршневого двигателя. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Система управления роторно-поршневого двигателя с однодуговой трохоидой в качестве рабочей дорожки корпуса и с двуугольным поршнем посредством использования неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса, отличающаяся тем, что вращательно-сдвиговая направляющая, которая может вращаться вокруг неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса и которая состоит из кулисного камня и направляющей кулисы, так расположена внутри поршня, что только минимальное отверстие требуется в стороне поршня, и максимальная часть поверхности стороны поршня находится в распоряжении для бокового обмена средой роторно-поршневого двигателя.

2. Система управления роторно-поршневого двигателя по п.1, отличающаяся тем, что вращательно-сдвиговая направляющая внутри поршня одновременно представляет собой функциональный элемент для обмена средой так, что направление среды в поршне осуществляется через выполненную в виде трубы поворотную цапфу, и направление среды осуществляется изнутри поршня дальше к рабочим камерам роторно-поршневого двигателя, так что обмен средой осуществляется автоматически в зависимости от определенных геометрических позиций в процессе движения поршня.

3. Система управления роторно-поршневого двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что кулисный камень с возможностью поворота находится на выполненной в виде трубы цапфе, которая расположена без возможности поворота в стороне корпуса, и кулисный камень имеет внутренние соединительные каналы, которые позволяют управление средой между радиальным отверстием в поворотной цапфе и каналами в поверхности направляющего паза.

4. Система управления роторно-поршневого двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выполненная в виде трубы поворотная цапфа на участке, на котором находится кулисный камень, имеет радиальные отверстия, которые позволяют поток среды через каналы, которые находятся в кулисном камне.

5. Система управления роторно-поршневого двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поворотная цапфа регулируется снаружи в определенном угловом диапазоне, так что может управляться поток среды двигателя.

6. Система управления роторно-поршневого двигателя с однодуговой трохоидой в качестве рабочей дорожки корпуса и с двуугольным поршнем посредством использования неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса, отличающаяся тем, что предусмотрена двойная направляющая крестовой кулисы, состоящая из расположенной внутри поршня крестовой кулисы (26) и расположенной в стенке корпуса крестовой кулисы (27), причем одна крестовая кулиса своей центральной точкой находится на одной линии с центральной точкой поршня, а другая крестовая кулиса находится на одной линии с неподвижной относительно корпуса точкой на стороне корпуса, причем два кулисных камня (28, 29), которые соединены посредством общего сочленяющего поводка, могут одновременно двигаться в обоих кулисных направляющих (26, 27).

7. Система управления роторно-поршневого двигателя с однодуговой трохоидой в качестве рабочей дорожки корпуса и с двуугольным поршнем посредством использования неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса, отличающаяся тем, что предусмотрена система управления с зубчатой передачей, которая расположена внутри поршня и состоит из неподвижной относительно корпуса зубчатой цапфы, которая соосна с передающим мощность валом, и из другой центрированной относительно поршня зубчатой цапфы в боковом отверстии поршня, причем центрированная относительно поршня цапфа имеет двойной диаметр неподвижной относительно корпуса цапфы, а также, что по обеим цапфам проложен зубчатый ремень или равнозначный элемент ременного привода, так что для свободного движения поршня вокруг расположенной на стороне корпуса осевой цапфы требуется только минимальное отверстие в стороне поршня, и максимальная часть поверхности стороны поршня предоставлена в распоряжение для бокового обмена средой роторно-поршневого двигателя.

8. Система управления роторно-поршневого двигателя с однодуговой трохоидой в качестве рабочей дорожки корпуса и с двуугольным поршнем посредством использования неподвижной относительно корпуса точки на стороне корпуса, отличающаяся тем, что предусмотрена система управления с зубчатой передачей, которая расположена внутри поршня и состоит из неподвижной относительно корпуса зубчатой цапфы, которая соосна с передающим мощность валом, и из другой центрированной относительно поршня зубчатой цапфы в боковом отверстии поршня, причем центрированная относительно поршня цапфа имеет двойной диаметр неподвижной относительно корпуса цапфы, а также, что между обеими цапфами расположено промежуточное зубчатое колесо, которое удерживается посредством водила, которое закреплено на зубчатой цапфе поршня, так, что вся система соответствует планетарной передаче и задает кинематически точное полное движение поршня, а также, что для свободного движения поршня вокруг расположенной на стороне корпуса осевой цапфы требуется только минимальное отверстие в стороне поршня, и максимальная часть поверхности стороны поршня предоставляется в распоряжение для бокового обмена средой роторно-поршневого двигателя.