Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силовой установки на транспортных средствах.
Известен роторно-лопастной двигатель с механизмом связи Кауэрца, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, а также механизм связи лопастей, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма, связанного с осью вращения роторов посредством зубчатой передачи (Г.Г. Гуськов. Необычные двигатели. М. Знание, 1971, с.25, рис.12). Известный двигатель отличается высокой компактностью, однако действие газовых сил и ударных нагрузок при вспышках горючей смеси воспринимается очень маленькими поверхностями контакта на зубьях шестерен, в результате чего очень быстро появляется усталостное разрушение металла на поверхности зубьев, они начинают выкрашиваться и двигатель выходит из строя.
Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр, два соосно расположенных ротора, вал отбора мощности, два коленчатых вала и два шатуна роторов, каждый ротор имеет ось, к которой внутри рабочего цилиндра прикреплены две лопасти, а вне его - кривошип, каждый шатун роторов соединен с шейкой своего коленчатого вала и с кривошипом своего ротора (пат. РФ №2101520, 1998, кл. F02B 55/00).
Известный двигатель имеет следующие недостатки:
- низкие КПД и ресурс, обусловленные трением в крейцкопфных механизмах;
- необходимость размещения в корпусе рабочего цилиндра двух коленчатых валов приводит к недостаточной мощности при заданных габаритах двигателя. При этом возникает противоречие: для увеличения рабочего объема и степени сжатия, от которых зависит мощность, необходимо увеличить эксцентриситет траектории движения кривошипов роторов, что достижимо только путем увеличения длины щек коленчатых валов, что приводит к тому, что для размещения коленчатых валов требуется больший объем пространства рабочего цилиндра.
Согласно изобретению роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр, два соосно расположенных ротора, вал отбора мощности, два коленчатых вала и два шатуна роторов, каждый ротор имеет ось, к которой внутри рабочего цилиндра прикреплены две лопасти, а вне его - кривошип, каждый шатун роторов соединен с шейкой своего коленчатого вала и с кривошипом своего ротора.
Технический эффект изобретения заключается в устранении указанных недостатков и достигается тем, что двигатель содержит два шатуна вала отбора мощности, каждый коленчатый вал имеет кривошип, вал отбора мощности имеет два кривошипа, каждый шатун вала отбора мощности соединен с шейкой кривошипа своего коленчатого вала и своим кривошипом вала отбора мощности. На графических материалах изображены:
фиг.1 - разрез роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по плоскости осей роторов, коленчатых валов и вала отбора мощности (роторы на фиг.1 изображены условно);
фиг.2 - вид сбоку (на фиг.2 движущиеся части ДВС изображены, для наглядности, для переднем плане);
фиг.3 - разрез А-А, на котором показано размещение роторов и их лопастей в рабочем цилиндре;
фиг.4 - вариант выполнения узла, обеспечивающего правильное направление вращения движущихся частей при прохождении мертвых точек;
фиг.5 - пояснения к соотношениям, определяющим взаимное расположение движущихся частей ДВС;
фиг.6-29 - взаимное расположение движущихся частей ДВС при их различных положениях (пример исполнения).
Роторно-лопастной ДВС содержит рабочий цилиндр 1, имеющий свечу зажигания 2, впускное 3 и выпускное 4 окна. Внутри рабочего цилиндра 1 соосно, с возможностью вращения относительно друг друга и относительно рабочего цилиндра 1 размещены роторы 5A и 5B, к валам которых прикреплены по две лопасти 6, а на участках их валов, находящихся за пределами рабочего цилиндра 1 - кривошипы 7A и 7B, которые через шатуны роторов 8A и 8B соединены с шейками соответствующих коленчатых валов 9A и 9B, шейки других кривошипов которых через шатуны вала отбора мощности 10A и 10B соединены с соответствующими шейками кривошипов вала отбора мощности 11 (далее ВОМ), который может иметь маховик 12.
Совокупность кривошипа 7A (7B), шатуна роторов 8A (8B) и коленчатого вала 9A (9B) составляет шарнирный антипараллелограмм (И.И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, М. «Наука», 1979, т.1 с.309, механизм 605). Вращение роторов 5A и 5B и коленчатых валов 9A и 9B в шарнирном антипараллелограмме происходит в противоположных направлениях.
Другие системы и агрегаты роторно-лопастного ДВС (системы питания, зажигания, охлаждения и др.) выполнены обычным для ДВС образом и на графических материалах не показаны.
Роторно-лопастной ДВС работает следующим образом.
Роторы 5A и 5B вращаются (на графических материалах - против часовой стрелки) неравномерно, при этом объем каждой из четырех камер, образуемых парами лопастей 6, изменяется.
Объем камеры, соединенной с впускным окном 3, увеличивается, и в нее поступает подготовленная рабочая смесь (такт впуска). После того, как задняя (набегающая) лопасть этой камеры закроет впускное окно 3, объем этой камеры начинает уменьшаться, сжимая рабочую смесь (такт сжатия). После достижения камерой своего минимального объема происходит поджигание рабочей смеси свечой 2 и объем этой камеры начинает увеличиваться (такт рабочего хода). Энергия сгоревшего топлива передается через соответствующий ротор 5, его кривошип 7, соответствующий шатун ротора 8, соответствующий коленвал 9, соответствующий шатун ВОМ 10 на ВОМ 11. После того, как передняя (убегающая) лопасть этой камеры откроет выпускное окно 4, объем этой камеры начинает уменьшаться и отработанные газы под давлением выходят наружу (такт выпуска). Такт впуска в этой камере начинается в момент, когда задняя лопасть камеры закроет выпускное окно 4, а передняя лопасть камеры откроет впускное окно 3.
Указанный процесс происходит поочередно для каждой камеры.
Неравномерное движение роторов 5A и 5B, а также передачу на ВОМ 11 энергии сгоревшего топлива обеспечивают коленвалы 9A и 9B с шатунами роторов 8A и 8B и шатунами ВОМ 10A и 10B. Коленвалы 9A и 9B и ВОМ 11 вращаются в сторону, противоположную направлению вращения роторов 5A и 5B (на графических материалах - по часовой стрелке).
ВОМ 11 вращается равномерно за счет инерции нагрузки, а в ее отсутствие - маховика 12. Для подсоединения нагрузки может быть использован, например, механизм двойного шарнирного параллелограмма (И.И. Артоболевский, там же, механизм 594, с.303), или, поскольку ВОМ 11 вращается равномерно - зубчатая передача.
Мертвые точки, т.е. точки, в которых возможно изменение правильного направления вращения роторов 5A и 5B, коленвалов 9A и 9B и ВОМ 11 (на фиг.1 этим точкам соответствует горизонтальное положение шатунов 8A, 8B, 10A и 10B) механизм проходит за счет инерции. При низких оборотах, а также при внешнем приводе в движение (напр., при запуске) правильное направление вращения может быть обеспечено принудительно (И.И. Артоболевский, там же, механизмы 606 и 607, с.309). Другой вариант такого узла, исключающий ударные нагрузки, приведен на фиг.4. К шатуну 8 (10) прикреплена траверса 14, имеющая на своих концах магниты 15. Группа магнитов 16 прикреплена к корпусу ДВС в точках, исключающих их контакт с другими подвижными деталями ДВС, причем ориентация магнитов выбрана таким образом, чтобы создать в мертвых точках момент сил, воздействующий на шатун 8 (10) в направлении, необходимом для правильной работы механизма.
Исключив неопределенности в движении механизма, получаем взаимнооднозначное соответствие между угловым положением ротора 5A - угловым положением ВОМ 11 - угловым положением ротора 5B, которые определяются из следующих соотношений (фиг.5).
Введем следующие обозначения:
R - радиус траектории движения центров шеек кривошипов роторов 7A и 7B, равный радиусу траектории движения центров шеек коленвалов 9A и 9B;
L - межцентровое расстояние между осями роторов 5A и 5B и коленвалов 9A и 9B, равное длине шатунов роторов 8A и 8B;
r - радиус траектории движения центров шеек кривошипов ВОМ 11;
а - межцентровое расстояние между осями ВОМ 11 и коленвалов 9A и 9B
b - длина шатунов ВОМ 10A и 10B;
δA, δB - угловое расстояние между центрами шеек кривошипов 7A и 7B и средней линией O1F лопастей соответствующих роторов (средняя линия лопасти - линия, перпендикулярная оси ротора и находящаяся в плоскости, в которой расположена ось ротора и которая делит лопасть ротора пополам);
λ - угловой размер лопасти.
Все углы отсчитываются от луча O3Y, положительным является направление по часовой стрелке.
Пусть ВОМ 11 повернулся на угол φ=∠AO3O2. Тогда, из ΔАО3О2: c2=r2+a2-2ar cosφ, где с=AO2;
Из ΔAO3O2:
где α=∠АО2О3
ΔAO2C1=ΔAO2C2 (по трем сторонам), ∠AO2C1=∠AO2C2=γ.
Из ΔAO2C1: b2=R2+с2-2Rc cosγ или
∠C1O2O3=γA=α+γ; ∠C2O2O3=γB=α-γ;
Для ротора X, где X={А,В}:
∠DXO2O1=∠CXO2O3=γX. Из ΔDXO2O1:
CX 2=L2+R2-2LRcosγX, где CX=O1DX, и из того же треугольника:
ΔDXO2O1=ΔDXBXO1 = (по трем сторонам), ∠DXBXO1=∠DXO2O1=γX
∠BXO1DX=βX1; ∠BXDXO1=∠DXO1O2=βX2
Отсюда угол βX, на который повернется шейка кривошипа 7X ротора 5X:
βX=π+βX2-βX1=γX+βX1+βX2+βX2-βX1=γX+2βX2
Угловое положение средней линии лопасти ротора Х равно
ψX1=βX+δX - для первой лопасти ротора Х
ψX2=π+βX+δX - для второй (оппозитной) лопасти ротора Х
Угловое положение передних (набегающих) поверхностей лопастей ротора Х равно ψXJ-λ/2, а задних (убегающих) - ψXJ+λ/2, где j={1,2}
Текущий угловой объем каждой камеры (в зависимости от φ) определяется как разность углового положения задней (убегающей) и передней (набегающей) поверхностей лопастей, образующих данную камеру и изменяется от некоторого минимального (при определенном φ) до некоторого максимального (при другом φ) и вновь от некоторого минимального до некоторого максимального, во второй раз за каждый оборот роторов и ВОМ.
Параметры двигателя выбирают таким образом, чтобы:
1. Значения минимального и максимального угловых объемов каждой из четырех камер совпадали. В этом случае условия горения топлива, в частности, количество сгораемого топлива и степень сжатия будут во всех камерах одинаковы, как и одинаковой будет выделяемая при каждой вспышке энергия.
2. Моменты зажигания, совпадающие с достижением минимального углового объема в некоторой камере, должны следовать через одинаковые промежутки времени, т.е. при угловых положениях ВОМ 11, отстоящих друг от друга на 90º, поскольку за один оборот ВОМ 11 в каждой из четырех камер происходит полный цикл работы ДВС (4 такта), а ВОМ 11 вращается с постоянной скоростью. При выполнении этого и предыдущего условий достигается равномерная работа двигателя.
3. Значения минимального и максимального угловых объемов каждой из четырех камер достигались при одинаковых угловых положениях роторов, в частности, одно из двух за один оборот минимальных угловых объемов каждой камеры соответствовало положению свечи зажигания 2. В этом случае фазы газораспределения (моменты открытия и закрытия впускного 3 и выпускного 4 окон) и условия зажигания будут для всех камер одинаковыми.
Для доказательства существования такого набора параметров рассмотрим роторно-лопастной ДВС, в котором
R:L:r:а:b=40:89:40:30:30, δA=+20,7º, δB=-20,7º, λ=30º
В таблице 1 приведены значения угловых положений шеек коленвалов 9A и 9B (γA и γB) и кривошипов роторов 7A и 7B (βA и βB), а также угловые объемы камер K1=K3 и K2=K4. для положения ВОМ 11 от 0º до 360º через 1º, а на фиг 6-29 изображены положения движущихся частей двигателя через каждые 15º положения ВОМ 11. Первой камерой K1 считается та камера, у которой углы между средней линией образующих ее лопастей и кривошипами соответствующих роторов меньше, чем у других, а 2-й, 3-й и 4-й - те, в которых последовательно совершается рабочий ход.
Как можно видеть, все три вышеуказанных условия выполняются:
Значения минимальных угловых объемов совпадают (с учетом допусков) и равны 11,4º, значения максимальных угловых объемов также совпадают и равны 108,6º
Значения минимальных угловых объемов в камерах К1, К2, К3 и К4 достигаются, соответственно, при угловом положении ВОМ 11, равных 0º, 90º, 180ºи 270º.
Значения угловых положений набегающей и убегающей поверхностей лопастей камеры, в которой закончился такт сжатия, совпадают и соответствуют положению свечи зажигания 2:
Аналогично, для всех камер совпадают также угловые положения соответствующих лопастей при открытии и закрытии впускного 3 и выпускного 4 окон.
К достоинству двигателя следует также отнести то, что он содержит (помимо собственно лопастных роторов) только кривошипо-шатунные механизмы, хорошо освоенные в производстве.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ СО СДВОЕННЫМИ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ СВЯЗЯМИ (ВАРИАНТЫ) | 2008 |
|
RU2382891C2 |
СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ И РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ХОЛОДНОГО | 2009 |
|
RU2464432C2 |
ДВУХВАЛЬНЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КРИВОШИПНО-КОРОМЫСЛО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ | 2004 |
|
RU2275519C1 |
ДВУХВАЛЬНЫЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ | 2007 |
|
RU2349813C1 |
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1992 |
|
RU2023895C1 |
ПЕРЕГОРОДКА С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ФУНКЦИЕЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКОСТИ | 2016 |
|
RU2720090C2 |
РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2011 |
|
RU2474705C2 |
Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания | 2021 |
|
RU2776460C1 |
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЕ ОРУДИЕ ДЛЯ БЕЗОТВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ | 2005 |
|
RU2321195C2 |
ДВС СО СМЕЖНО РАБОТАЮЩИМИ ЦИЛИНДРАМИ И ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ | 1996 |
|
RU2157898C2 |
Изобретение относится к двигателестроению. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр, два соосно расположенных ротора, вал отбора мощности, два коленчатых вала и два шатуна роторов. Каждый ротор имеет ось, к которой внутри рабочего цилиндра прикреплены две лопасти, а вне его - кривошип. Каждый шатун роторов соединен с шейкой своего коленчатого вала и с кривошипом своего ротора. Двигатель содержит два шатуна вала отбора мощности. Каждый коленчатый вал имеет кривошип. Вал отбора мощности имеет два кривошипа. Каждый шатун вала отбора мощности соединен с шейкой кривошипа своего коленчатого вала и своим кривошипом вала отбора мощности. Изобретение направлено на повышение КПД и ресурса двигателя. 29 ил., 3 табл.
Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр, два соосно расположенных ротора, вал отбора мощности, два коленчатых вала и два шатуна роторов, каждый ротор имеет ось, к которой внутри рабочего цилиндра прикреплены две лопасти, а вне его - кривошип, каждый шатун роторов соединен с шейкой своего коленчатого вала и с кривошипом своего ротора, отличающийся тем, что содержит два шатуна вала отбора мощности, каждый коленчатый вал имеет кривошип, вал отбора мощности имеет два кривошипа, каждый шатун вала отбора мощности соединен с шейкой кривошипа своего коленчатого вала и своим кривошипом вала отбора мощности.
ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА | 2004 |
|
RU2273739C2 |
ДВИГАТЕЛЬ С КОЛЬЦЕВЫМ ЦИЛИНДРОМ | 2008 |
|
RU2386036C2 |
ПРАВИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРАВКИ ПРОФИЛЕЙ | 2007 |
|
RU2356670C1 |
Авторы
Даты
2013-10-27—Публикация
2011-11-23—Подача