ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02B55/02 F01C1/22 F01C17/06 

Изобретение относится к области машиностроения, к двигателям внутреннего сгорания объемного вытеснения.

Известен четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания [1], содержащий, по меньшей мере, одну секцию кривошипно-шатунного механизма, состоящую из полого цилиндра статора, внутри которого на своих подпружиненных поршневых кольцах соосно с цилиндром, с возможностью возвратно поступательного движения вдоль его оси, вывешен находящийся в непосредственном контакте с зарядом рабочего тела цилиндрический поршень - входное звено механической силовой цепи секции.

В профиле секции поршень механически связан с поршневой шейкой прямолинейного шатуна, который внутренней поверхностью другой своей круговой шейки с возможностью скользящего вращения установлен на круге цилиндра кривошипа, или эксцентрика силового вала секции. Вал установлен с возможностью вращения относительно собственной коренной оси, по меньшей мере, в двух соосных коренных подшипниках статора.

Силовой вал каждой секции является выходным силовым звеном механизма секции. Конструкционно вал поршневой секции состоит из двух цилиндрических валов (полувалов), соосных с единой коренной осью вала. Каждый из них на одной стороне своей оси оканчивается монолитным и соосным с ним плоским диском вала, плоскости которого перпендикулярны его оси. Своими наружными торцевыми плоскостями диски валов вдоль коренной оси вала расположены оппозитно - друг против друга. Диски валов между собой соединены стержнем цилиндрического кривошипа, который одним из двух своих концов жестко закреплен в каждом из них. Ось кривошипа параллельна коренной оси вала, и в профиле секции кривошип радиально отстоит от нее на геометрическом расстоянии длины прямой линии геометрического эксцентриситета е. Серединой длины своей оси кривошип расположен на перпендикулярной ей оси цилиндра статора секции. На каждом диске вала соосно с коренной осью вала и оппозитно оси кривошипа жестко закреплена половина диска его индивидуального противовеса.

В головке цилиндра поршневой секции устанавливается газораспределительный клапанный механизм, приводимый в работу силовым валом секции.

Наличие скользящего контакта между цилиндрическими поверхностями силовой кинематической пары - силового подшипника эксцентрика вала - позволяет применить гидродинамическое скольжение этих поверхностей. Гидродинамическое скольжение выражается в присутствии между цилиндрическими поверхностями силового подшипника тонкостенного масляного кольца, препятствующего прямому механическому контакту между ними. Масляное гидродинамическое кольцо создается потоком текучего смазочного масла, нагнетаемого при помощи масляного насоса в каналы системы смазки двигателя. Это масляное кольцо снижает коэффициент трения в этом подшипнике до значений самого наименее энергетически затратного трения - трения качения. Однако по сравнению с известным подшипником качения на шариках или роликах качения такой подшипник трения скольжения обладает меньшей собственной массой и габаритами, а текучее масло хорошо очищает и охлаждает поверхности трения, для чего в системе смазки устанавливается масляный фильтр и, при необходимости, масляный радиатор. По сравнению с механическими элементами устройства подшипника качения масло способно воспринять на себя и передать между поверхностями силовой пары существенно большие по величине импульсные усилия нагретого заряда рабочего тела.

Известен четырехтактный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания Ванкеля с трехгранным ротором [2], так же как и поршневой двигатель, имеющий многолетнюю успешную коммерческую практику. Он состоит из секции цилиндрического статора, внутренняя рабочая полость которого имеет форму симметричной двуполостной замкнутой математической плоской кривой линии - эпициклоиды, в профиле секции имеющей пересекающиеся на оси статора одну большую и одну малую геометрические оси. Также секция содержит эксцентриковый силовой вал, соосно со статором установленный с возможностью вращения в коренных подшипниковых опорах статорных фланцев. На круговом эксцентрике вала с возможностью скользящего вращения установлен ротор, в профиле имеющий наружную поверхность своей призмы с формой замкнутой математической плоской кривой линии - гипоциклоиды, с равным числом симметричных относительно его оси трех ее вершин и трех радиальных граней. Как и в поршневой секции, в силовом подшипнике эксцентрикового вала роторно-поршневой секции используется способ гидродинамического скольжения. Как и поршень в поршневой секции, ротор тоже вывешен с возможностью плоского скольжения по внутренним плоскостям статорных фланцев в пространстве рабочей полости статора на своих подпружиненных плоских уплотнительных элементах, которые фактически также выполняют и функцию механического амортизатора ротора или поршня, предотвращая при движении жесткое сталкивание ротора с поверхностями зеркала статора. В своих остроугольных вершинах ротор также содержит скользящие по профилю эпициклоиды радиально подвижные уплотнения вершин ротора - апексы, которые тоже выполняют функцию амортизатора в радиальном смещении ротора. Как и в поршневой секции, уплотнение ротора, состоящее из уплотнительных элементов плоскостей и апексов, в локально замкнутой рабочей полости роторной секции Ванкеля призвано обеспечить воспроизводство процессов термодинамического цикла заряда рабочего тела, который после подвода к нему теплоты внутри полости расширения рабочего объема секции в такте рабочего хода этого цикла, за счет своей возросшей потенциальной энергии, перемещает ротор и тем самым обеспечивает работу всего механизма секции двигателя внутреннего сгорания.

Программное и безотрывное перемещение остроугольных вершин ротора по внутренней поверхности эпициклоиды статора в данной секции обеспечивается эксцентриком вала, создающим непрерывное и параллельное оси вала перемещение оси ротора в профиле секции по геометрической линии окружности с центром на коренной оси вала и с радиусом длины эксцентриситета е эксцентрика вала, а также, по меньшей мере, одной парой программных шестерен ротора и статора, создающей вращение призмы ротора относительно его собственной оси. При этом в отношении длин диаметров, кратных длине эксцентриситета е, у этих программных шестерен длина линии диаметра шестерни ротора, сосной с осью ротора, всегда на одну единицу больше длины линии диаметра шестерни статора, сосной с коренной осью вала, и равно 3:2. В связи с совокупным действием этих двух причин, движение призмы ротора в полости статора при работе двигателя является планетарным. Профиль эпициклоиды статора является замкнутой кривой линией траектории одновременного движения трех вершин планетарно вращающегося профиля гипоциклоиды призмы ротора.

По сравнению с секцией четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания роторная секция четырехтактного двигателя Ванкеля при том же объеме рабочей полости имеет существенно меньшие габариты и металлоемкость. В связи с отсутствием в подвижной части механизма роторной секции поршня, шатуна и полости масляного картера, трехгранный ротор, контактирующий гранями своего внешнего профиля с нагретым зарядом рабочего тела, своим неразъемным центральным посадочным круговым отверстием непосредственно установлен на соосном с ним круге эксцентрика вала. В секции Ванкеля также отсутствует и балластный клапанный газораспределительный механизм. Существенным положительным свойством роторно-поршневой секции является увеличенная в 1,5 раза длительность активного импульса вращающего рычага эксцентрикового вала в такте рабочего хода, которая составляет диапазон 270 градусов, располагаемых секцией в этом такте. Это свойство позволяет роторно-поршневому двигателю отбирать большее количество энергии нагретого заряда рабочего тела на вращение вала за такт рабочего хода, чем в поршневой секции, так как секция поршневого двигателя, в силу своих геометрических особенностей, использует для передачи эффективного вращающего момента на рычаг своего эксцентрикового вала лишь диапазон 180 градусов, располагаемый ей в такте рабочего хода.

При этом роторно-поршневая секция также имеет и другие, не описанные здесь существенные объективные преимущества по сравнению с поршневой секцией.

Однако силовой подшипник вала поршневой секции пространственно находится в объеме масляного картера комфортно далеко от горячих газов объема рабочей полости, в то время как в секции роторно-поршневого двигателя он расположен в непосредственной близости, в том числе и к горячей рабочей полости. Повышенная температура граней ротора, из-за их периодического непосредственного контакта с нагретым зарядом рабочего тела, при нахождении поверхностей механического контакта силового подшипника около нагретых граней оказывает негативное влияние на снижение надежности работы и срока эксплуатации силового подшипника. В связи с этим всегда желательно, чтобы в роторно-поршневой секции поверхности ее силового подшипника скольжения находились как можно ближе к коренной оси вала, а поверхности нагретых граней ротора по возможности были дальше от поверхностей силового контакта звеньев этого подшипника. Форма профиля и величина габаритов роторной секции определяются по геометрическим параметрам профиля и высоты призмы ротора и статора секции, рассчитываемым на основании трех простейших эмпирических формул:

где r - длина радиуса окружности, описанной вокруг профиля ротора;

R - длина радиуса окружности, описанной вокруг профиля статора;

е - длина линии эксцентриситета;

n - число вершин (граней) ротора (для трехгранного ротора n=3);

h - длина линии высоты призмы ротора (высоты цилиндра статора);

x - радиальный коэффициент;

y - осевой коэффициент.

Кроме числовых значений вершин ротора n и коэффициентов x и y, все прочие параметры в этих формулах представляют собой длины отрезков прямых геометрических линий. При изготовлении секции заранее известной считается длина отрезка прямолинейного эксцентриситета e, которую, как и число вершин ротора n, изначально субъективно выбирает изготовитель двигателя. Числовые значения коэффициентов находятся в определенных рамках своих пределов, влияющих на габариты конструкции секции. Верхние пределы значений радиального и осевого коэффициентов x и y обычно ограничены значениями нескольких единиц, в связи с неизбежным, но нежелательным нарастанием величины массы ротора и площади огневой поверхности камеры сгорания. Изготовленный однажды по первым двум формулам профиль роторной секции способен пропорционально масштабироваться в координатах плоскости чертежа посредством изменения длины эксцентриситета е под требуемые изготовителю объем рабочей полости секции и габаритный размер двигателя.

В поршневой и роторно-поршневой секции механизмов с эксцентриковым валом в такте рабочего хода переменная по своей величине длина L рычага вращения вала, при помощи элемента конструкции - эксцентрика вала, в профиле опирающегося на коренную ось вала, в своем максимуме не превышает длины эксцентриситета е механизма своей секции. В двигателях на механизмах с эксцентриковым валом угловая скорость вращения эксцентриситета всегда абсолютно совпадает с угловой скоростью вращения силового вала, то есть их вращение всегда синхронно. В положении эксцентриситета в верхней мертвой точке и в положении максимального расширения рабочей полости секции этот рычаг равен нулю. В силу объективных геометрических особенностей, для равных по объему рабочей полости секций при одинаковой степени сжатия длина линии эксцентриситета е поршневой секции примерно в 2,8 раза выше, чем в роторно-поршневой секции Ванкеля.

Так как значение длины рычага является одной из составляющих в значении величины момента силы вала, который находится в прямой пропорциональной зависимости со значением величины мощности механической энергии, вырабатываемой секцией, то при прочих равных условиях мощность поршневой секции всегда больше по величине, чем в роторно-поршневой секции того же рабочего объема. И это справедливо, несмотря на дополнительные потери в поршневой секции в дополнительном шарнире шатуна в поршневом пальце и в тронке поршня, а также в приводе балластного клапанного газораспределительного механизма. И даже несмотря на то, что в силу своих геометрических особенностей степень разрежения заряда рабочего тала в полости расширения в роторно-поршневой секции по обороту вала в такте рабочего хода ниже, то есть степень работоспособности потенциала одинаковой массы заряда, предварительно одинаково сжатой и нагретой до одной и той же температуры в камере сгорания в роторной секции, выше, чем в поршневой секции. Но даже при наличии указанных преимуществ короткий вращающий рычаг вала существенно снижает эффективность работы роторно-поршневой секции Ванкеля по сравнению с поршневой секцией равного с ней рабочего объема.

Если в поршневой секции по линии окружности с радиусом эксцентриситета е параллельно коренной оси вала перемещается ось эксцентриковой шейки шатуна и ось кругового эксцентрика вала, то в роторно-поршневой секции, вместо шейки шатуна, по ней движется также и ось ротора секции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является роторный двигатель внутреннего сгорания с силовой цевочной муфтой [3], в каждой секции которого полностью отсутствует эксцентрик вала, поэтому в ее механизме взаимно десинхронизировано вращение силового вала и геометрического эксцентриситета е конструкционной схемы механизма секции. Ее вал является полностью цилиндрическим во всей длине вдоль своей коренной оси. А эксцентриситет е механизма, хотя и присутствует в его профиле, но он не материализован в эксцентрике вала, то есть эксцентриситет там является виртуальным. Но по линии геометрической центральной окружности с радиусом эксцентриситета е параллельно и относительно коренной оси вала, точно так же как и в роторно-поршневой секции Ванкеля, перемещается ось реального подвижного элемента конструкции секции - ротора.

Многогранный ротор данной секции с возможностью планетарного вращения установлен непосредственно на статоре, посредством наличия у ротора его программного диска с внутренней формой профиля, по числу вершин и граней симметрично относительно оси ротора повторяющего форму наружного профиля многогранной гипоциклоиды призмы ротора. С возможностью качения своим внутренним профилем программной гипоциклоиды ротор установлен на роликах качения опорных цевок статора. Эти цилиндрические цевки параллельно оси вала консольно и жестко попарно закреплены на линиях малых геометрических осей симметрии профиля эпициклоиды статора и линии центральной окружности одного из статорных фланцев. По своей конструкции кинематическая пара программной цевочной передачи, включающая в себя гипоциклоиду программного диска ротора и ролики качения опорных цевок статора, и по своему принципу действия напоминает обычный роликовый подшипник качения, с той лишь разницей, что форма наружного кольца этого подшипника представляет собой не привычную нам форму круга, а форму гипоциклоиды с закругленными вершинами своего профиля. Поэтому данная кинематическая пара, точно так же как и пара программных шестерен в секции роторно-поршневого двигателя, не создает в механизме секции существенного дополнительного механического сопротивления заданному движению ротора и вала, кроме естественных сил трения.

Передача момента силы между ротором и силовым валом в данной секции осуществляется механически надежной, простой по конструкции и высокоэффективной цевочной муфтой. Как и всякая известная механическая муфта, цевочная муфта передает как от ротора на вал, так и от вала на ротор, полученный ей вращающий момент во всем диапазоне своего вращения практически без изменения его величины с известным механическим коэффициентом ее полезного действия около 95-97%. В муфте число оборотов ротора равно числу оборотов вала. Она конструкционно состоит из двух основных взаимосвязанных узлов. Во-первых, из находящегося в середине объема ротора плоского силового диска ротора, плоскости крайних поверхностей которого перпендикулярны оси ротора и вала. И во-вторых, по меньшей мере, из одного плоского диска вала, соосного с валом. Одна из плоскостей диска вала находится непосредственно около одной из параллельных ей плоскостей силового среднего диска ротора. Параллельно оси вала и симметрично относительно его оси в направлении стороны силового диска ротора жестко и консольно закреплены цилиндрические оси цевок вала, число которых равно числу вершин или граней ротора. На каждой из цевок вала с возможностью вращения и скольжения своей внутренней цилиндрической поверхностью соосно установлено цилиндрическое кольцо кругового ролика цевки вала. В профиле секции наружная цилиндрическая поверхность кольца каждого ролика цевки вала, соосная с внутренней цилиндрической поверхностью этого ролика, по одному находится в непрерывном текущем механическом точечном контакте с цилиндрической поверхностью одного сквозного кругового отверстия силового диска ротора. Длина линии диаметра сквозного данного отверстия больше длины диаметра наружной цилиндрической поверхности ролика цевки вала. Диаметры геометрических линий центральных окружностей, на которых симметрично расположены оси цевок вала на диске вала и оси сквозных отверстий силового диска ротора, равны между собой.

Требуемое от секции с силовой цевочной муфтой исполнение такта рабочего хода - преобразование потенциальной энергии расширяющегося нагретого локального заряда рабочего тела в механическую энергию перемещения входного элемента силовой цепи механизма - ротора в данной секции происходит еще до выхода этой энергии на второе и последнее в силовой цепи секции ее подвижное выходное звено - силовой вал. То есть данное преобразование исполняется непосредственно самим ротором, исключая участие прочих излишних кинематических пар и потери в них при передаче энергии от ротора на преобразование, а также в самом процессе преобразования энергии, тем самым повышая эффективность работы механизма и двигателя в целом.

Изменяемый по своей длине в такте рабочего хода текущий рычаг вращения ротора в данной секции опирается не на коренную ось вала, как в секциях с эксцентриковым валом, но на линию центральной окружности с радиусом, равным величине радиуса неподвижной программной геометрической окружности статора роторной секции, сосной с коренной осью вала, функцию которой в секции роторно-поршневого двигателя выполняет неподвижная программная шестерня статора, соосная с коренной осью вала. Поэтому длина линии рычага вращения ротора L данной секции равна произведению числа вершин ротора n на длину линии эксцентриситета е. Например, для секции с трехгранным ротором длина вращающего рычага ротора изменяется в пределе от нуля в своем минимуме до 3е в своем максимуме. То есть средняя длина вращающего рычага ротора за каждый такт рабочего хода в 3 раза больше, чем в роторно-поршневой секции Ванкеля, и в 1,17 раза больше, чем в поршневой секции одинакового с ней рабочего объема. По сравнению с двигателями на механизмах с эксцентриковым валом, это обстоятельство в двигателе на механизме с силовой цевочной муфтой существенно повышает значение момента силы, мощность и эффективность его работы при использовании одной и той же величины массы заряда рабочего тела, сжатой до одной степени сжатия и нагретой в камере внутреннего сгорания секции до одной и той же температуры.

В поршневой секции число тактов рабочего хода в 2 раза меньше числа полных оборотов ее эксцентриситета и вала. В роторно-поршневой секции числа оборотов эксцентриситета и вала равны числу тактов рабочего хода. В роторной секции с цевочной муфтой за полный один оборот силового вала происходит один полный оборот ротора, поэтому в каждой секции данного двигателя число полных оборотов эксцентриситета относительно коренной оси вала и, соответственно, число тактов рабочего хода равно числу вершин ее ротора. То есть состоящий из таких секций двигатель, передающий на каждый оборот своего вала кратно повышенное количество механической энергии, представляет собой тепловой мотор-редуктор. В связи с этим силовая установка с участием такого двигателя может не использовать дополнительный механический редуктор для привода валов некоторых категорий нагрузок, которым приходится использовать его при получении вращающего момента от двигателей, имеющих механизм с эксцентриковым валом.

Однако силовой диск ротора данной секции с силовой цевочной муфтой содержит внутреннее центральное круговое отверстие, через которое проходит стержень цилиндра неразъемного силового вала секции. Это увеличивает габариты и массу секции и пространственно удаляет поверхности силовых подшипников секции дальше от коренной оси вала, но придвигает их ближе к периферии профиля ротора и к нагретым граням секции, снижая эффективность и надежность работы каждой секции двигателя.

Передача усилий между дисками цевочной муфты происходит в профиле по обладающему низкой надежностью точечному механическому контакту силовых цевок вала и отверстий силового диска ротора. При этом способ закрепления на диске вала только одного конца в консольном креплении цевок на диске вала также не является надежным. Одновременно без наличия кольцевого зазора между всеми поверхностями механического контакта в силовой кинематической паре невозможно организовать в силовом подшипнике надежное и высокоэффективное гидродинамическое скольжение. Причем передача усилий в такой конструкции цевочной муфты в любой момент времени осуществляется не одновременно сразу всеми цевками вала, но только их частью из общего числа цевок вала последовательно и поочередно по направлению вращения вала. В секции, например, трехгранного ротора существуют секторы вращении вала, в которых передача усилий осуществляется лишь через одну цевку, что также указывает на низкую надежность и эффективность работы такого механизма с цевочной муфтой.

В механизмах двигателей с эксцентриковым валом, кроме использования секционирования, при котором эксцентрики секций попарно и оппозитно относительно коренной оси закреплены на общем для них силовом валу, для тонкой настройки сбалансированности подвижной части механизма в практике применяются половины круговых дисков противовесов, жестко закрепленных соосно с валом и оппозитно относительно оси круга каждого эксцентрика вала. Это возможно потому, что там эксцентрики и противовесы вращаются синхронно с валом. В механизме секции с силовой цевочной муфтой из-за асинхронности вращения вала и эксцентриситета механизма традиционная установка противовеса на валу не имеет никакого физического смысла. Поэтому тонкая настройка балансировки механизма двигателя с использованием известных противовесов на механизме с силовой цевочной муфтой невозможна. Это снижает надежность его работы.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы двигателя внутреннего сгорания.

При сохранении всех уже имеющихся указанных выше положительных свойств в роторной секции двигателя внутреннего сгорания с механизмом силовой цевочной муфты и с трехгранным ротором, поставленная цель достигается тем, что при помощи разделения общего силового вала секции на два соосных вала, без увеличения предельно желательных минимальных габаритов секции в профиле, предлагается предельно приблизить поверхности механического контакта звеньев силовой цевочной муфты к коренной оси вала, а также снабдить дополнительной опорой консольный конец каждой цевки силового вала. При этом в профиле секции, увеличив площадь диаметрального сечения ролика цевки вала до величины диаметра сквозного кругового отверстия силового среднего диска ротора, предлагается заменить механический точечный контакт на поверхностный контакт между наружной цилиндрической поверхностью каждого ролика цевок вала с внутренней цилиндрической поверхностью ответного ему сквозного отверстия силового среднего диска ротора с включением в одновременную и непрерывную работу сразу всех цевок силовой цевочной муфты. Что также позволяет установить на ролике каждой цевки вала свой индивидуальный балансировочный корректирующий противовес.

Таким образом, двигатель внутреннего сгорания, состоящий, по меньшей мере, из одной роторной секции, содержащей цилиндрический статор, в коренных подшипниковых опорах плоских статорных фланцев которого соосно со статором и с возможностью вращения относительно своей коренной оси установлен силовой цилиндрический вал, содержащий, по меньшей мере, один монолитный и соосный с ним плоский диск вала, в котором параллельно коренной оси вала и в профиле симметрично ей в сквозных круговых отверстиях этого диска жестко закреплены цилиндрические цевки вала, на каждой из которых с возможностью вращения своей внутренней поверхностью по одному установлено кольцо ролика цевки вала, каждый из которых по одному своей наружной цилиндрической поверхностью размещен внутри одного внутреннего сквозного кругового отверстия среднего силового диска подвижного ротора, причем ротор имеет радиальный наружный профиль в форме гипоциклоиды, а число сквозных круговых отверстий его среднего диска равно числу вершин наружного профиля ротора, причем внутри полости ротора одна из двух плоскостей диска вала находится непосредственно около одной из двух плоскостей среднего диска ротора и параллельна ей, при этом ротор, по меньшей мере, в одном своем крайнем сечении имеет плоский диск ротора, который в профиле вокруг оси ротора содержит полое внутреннее пространство, внешне ограниченное профилем соосной с ротором программной шестерни ротора с внутренними зубьями, находящейся в зацеплении с меньшей по диаметру шестерней с внешними зубьями, жестко закрепленной соосно с коренной осью вала на внутренней поверхности близлежащего статорного фланца, при этом длина диаметра линии центральной окружности профиля ротора, на которой лежат оси сквозных круговых отверстий среднего силового диска ротора, равна длине диаметра линии центральной окружности профиля диска вала, на которой лежат оси круговых отверстий для соосного крепления в них цевок вала, число которых равно числу вершин радиального наружного профиля ротора, отличается тем, что центры сквозных круговых отверстий среднего силового диска ротора расположены на линиях осей симметрии вершин наружного профиля подвижного ротора с возможностью пересечения профилем круга каждого из них геометрической линии коренной оси вала, силовой вал состоит из двух соосных его коренной оси цилиндрических валов, каждый из которых одним своим концом установлен в коренной подшипниковой опоре близлежащего статорного фланца, а с другой стороны каждый из них внутри объема ротора оканчивается плоским диском вала, в профиле имеющим форму с закругленными вершинами, по числу вершин повторяющую форму наружного профиля ротора, причем круговые отверстия для крепления в них цевок вала своими осями расположены в дисках вала на линиях осей симметрии вершин их профилей, при этом торцевые плоскости дисков вала вдоль коренной оси вала внутри ротора расположены взаимно оппозитно и с разных сторон от среднего диска ротора, а каждая цевка вала своими противоположными концами по одному жестко закреплена в соосных отверстиях оппозитных дисков вала, причем оси внутренней и наружной цилиндрических поверхностей кольца каждого ролика цевки вала непрерывно отстоят друг от друга на фиксированную длину прямой линии эксцентриситета, каждая из которых параллельна геометрической линии центрального эксцентриситета, в профиле находящегося между коренной осью вала и осью ротора, при этом ось окружности наружной цилиндрической поверхности кольца каждого ролика цевки вала совпадает с осью отверстия среднего силового диска ротора, внутри которого этот ролик размещен, причем наружная цилиндрическая поверхность кольца ролика цевки вала в профиле имеет окружность диаметром, равным по длине диаметру круга отверстия среднего диска ротора, и установлена внутри этого отверстия с возможностью вращения скольжения по его внутренней поверхности, причем вдоль коренной оси вала в пространстве между средним силовым диском ротора и одним из дисков вала на одной из плоскостей кольца каждого ролика цевки вала жестко закреплена половина плоского диска противовеса ролика, причем ось наружной цилиндрической поверхности противовеса совпадает с осью наружной цилиндрической поверхности ролика.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена секция двигателя с видом слева со снятым левым фланцем.

На фиг. 2 изображена секция двигателя, вид спереди.

На фиг. 3 изображен вид слева на ротор и левый полувал со снятым диском левого затвора ротора.

На фиг. 4 изображен вид слева на ротор со снятым левым полувалом при сечении А-А по корпусу ротора.

На фиг. 5 изображен вид справа на ротор и правый полувал с установленным диском правого затвора ротора, в котором выполнена программная шестерня ротора.

На фиг. 6, 8, 10, 12, 14, 16 изображены фазы перемещения ротора и вала в такте рабочего хода механизма секции роторного двигателя с силовой цевочной муфтой.

На фиг. 7, 9, 11, 13, 15, 17 изображены фазы перемещения ротора и вала в такте рабочего хода механизма секции роторно-поршневого двигателя Ванкеля.

На фиг.18 в координатах угла α поворота эксцентриситета секции в такте рабочего хода изображены графики изменения длин L рычага вращения ротора в секции роторного двигателя с силовой цевочной муфтой и рычага вращения вала в секции роторно-поршневого двигателя Ванкеля.

На фиг.19 изображена кинематическая схема секции роторного двигателя с силовой цевочной муфтой.

Условные обозначения, используемые в чертежах и описании:

е - эксцентриситет, или закрепленный на геометрической коренной оси силового вала геометрический радиус геометрической линии окружности, по которой в профиле механизма секции двигателя внутреннего сгорания параллельно коренной оси вала перемещается геометрическая ось призмы ротора;

α - угол поворота в градусах эксцентриситета е в такте рабочего хода в механизме секции роторного двигателя;

P - изменяемый по своей текущей величине вектор результирующего усилия при конкретном угле поворота эксцентриситета α, производимого нагретым зарядом рабочего тела в такте рабочего хода на середину грани ротора в секции роторного двигателя;

L - от точки своей опоры до точки пересечения с вектором текущего усилия P текущая длина геометрической перпендикулярной прямой линии рычага вращения ротора или вала в такте рабочего хода при конкретном угле поворота α эксцентриситета e;

L_{ротора ДЦМ} - текущая длина вращающего рычага ротора в секции двигателя с силовой цевочной муфтой в такте рабочего хода при конкретном угле поворота эксцентриситета α;

L_{ср.ротора ДЦМ} - средняя длина вращающего рычага ротора за такт рабочего хода в секции двигателя с силовой цевочной муфтой;

L_РПД - текущая длина вращающего рычага ротора в секции роторно-поршневого двигателя в такте рабочего хода при конкретном угле поворота эксцентриситета α;

L_ср.РПД - средняя длина вращающего рычага ротора за такт рабочего хода в секции роторно-поршневого двигателя;

D - длина линии диаметра каждой из геометрических линий центральных окружностей, на которых симметрично расположены оси цевок вала на диске вала и оси сквозных отверстий среднего силового диска ротора.

Секция предложенного двигателя внутреннего сгорания состоит из роторного механизма с силовой цевочной муфтой, содержащего корпус статора 1, представляющий собой призму цилиндра с внутренней рабочей полостью, радиально ограниченной поверхностью корпуса, которая в профиле имеет форму симметричной двуполостной эпициклоиды с пересекающимися на оси статора большой и малой геометрическими осями симметрии (фиг. 1-5). Внутренняя рабочая полость статора вдоль своей оси локально закрыта плоскостями соосных с ним дисков левого 2 и правого 3 статорных фланцев. На внутренней плоскости, по меньшей мере, одного из них - правого фланца 3 соосно с осью цилиндра статора 1 выполнена консольно выступающая внутрь полости статора программная шестерня статора 4 с внешними зубьями.

В подшипниковых опорах качения близлежащих статорных фланцев 2 и 3 с возможностью вращения установлены соосные, соответственно, левый вал 5 и правый вал 6 общего силового вала секции, коренная ось которого сосна с осью статора. Каждый вал 5 и 6 внутри объема статора окачивается плоским диском вала, соответственно, 7 и 8, плоскости которых перпендикулярны коренной оси вала. Крайние плоскости дисков валов 5 и 6 оппозитно обращены друг к другу. В профиле механизма каждый диск 7 и 8 имеет форму треугольника с закругленными вершинами, по числу вершин повторяющую форму наружного радиального профиля ротора. На геометрических осях симметрии вершин дисков 7 и 8 в точке пересечения с линией геометрической центральной окружности диска вала и симметрично относительно коренной оси вала по одному выполнены три сквозные круглые отверстия.

В каждом из этих сквозных отверстий диска вала соосно жестко закреплен один из двух концов цилиндрической оси цевки 9 вала. Причем одна цевка 9 своими противоположными концами установлена в пространственно соосных отверстиях левого 7 и правого 8 оппозитных дисков вала. Вдоль коренной оси вала, в пространстве между дисками левого и правого валов на каждой цевке 9 с возможностью вращения скольжения своим внутренним круговым отверстием соосно установлено в профиле круговое кольцо ролика 10 цевки. При этом ось внутренней поверхности каждого кольца ролика 10 в профиле механизма эксцентрически радиально смещена относительно оси своей наружной круговой цилиндрической поверхности ролика 10 на фиксированную длину прямой линии эксцентриситета е, каждая из которых параллельна геометрической линии центрального эксцентриситета е, в профиле находящегося между коренной осью вала и осью ротора.

Оппозитно по отношению к оси круга своей внешней поверхности, соосно с осью внутренней круговой цилиндрической поверхности кольца ролика и параллельно плоскости диска ролика на одной из его плоскостей - на левой плоскости каждого ролика 10 цевки консольно жестко закреплена половина плоского диска индивидуального противовеса 11 ролика 10. Причем ось наружной цилиндрической поверхности половины диска противовеса 11 совпадает с осью наружной круговой цилиндрической поверхности ролика 10.

Наружная цилиндрическая поверхность каждого ролика 10 с возможностью вращения скольжения по одному установлена в одном из трех симметрично расположенных сквозных отверстий плоского среднего силового диска 12 призмы ротора 13, имеющего симметричный относительно оси ротора наружный радиальный профиль в форме трехгранной гипоциклоиды. Оси каждого из трех отверстий диска 12 по одной расположены на осях вершин наружного профиля гипоциклоиды ротора. Плоскости среднего диска 12 ротора параллельны плоскостям дисков 7 и 8 валов 5 и 6. При этом противовесы 11 роликов 10 цевок вала вдоль коренной оси вала имеют возможность параллельного свободного перемещения вдоль и между левой плоскостью среднего диска ротора, левых плоскостей роликов 10 и правой плоскостью диска 7 левого полувала 5 внутри пространства профиля сопряженной с ним цилиндрической выемки 14, выполненной в корпусе ротора 13, ось каждой из которых по одной лежит на одной из осей симметрии вершины профиля внешней гипоциклоиды ротора 13.

Причем линии диаметра каждой из геометрических линий центральных окружностей, на которых симметрично относительно своих осей расположены оси цевок вала на диске вала и оси сквозных отверстий силового среднего диска ротора, имеют одну и ту же длину D (фиг. 4).

Со стороны левой плоскости своей призмы монолитный ротор 13 закрыт съемным плоским круговым диском левого затвора 15 ротора, а со своей правой плоскости ротор 13 закрыт съемным плоским круговым диском правого затвора 16 ротора. Каждый затвор от прокручивания относительно корпуса ротора закреплен штифтами трех фиксаторов. Внутри профиля левого затвора 15 выполнено центральное отверстие треугольной формы с закругленными вершинами, симметричное относительно своей оси и оси ротора, не препятствующее свободному движению диска 7 левого вала 5 при пространственных эволюциях вала и ротора (фиг. 1). Внутри профиля правого затвора 16 ротора выполнено симметричное относительно своей оси и оси ротора центральное круговое отверстие, на котором выполнены внутренние зубья программной шестерни ротора (фиг. 4), которые находятся в непрерывном текущем зацеплении с внешними зубьями программной шестерни статора 4 близлежащего правого статорного фланца 3. Так же как и в секции роторно-поршневого двигателя Ванкеля с трехгранным ротором, отношение длин диаметров и числа зубьев программной шестерни ротора 16 и программной шестерни статора 4 составляет 3:2.

Общий силовой вал механизма секции роторного двигателя выполнен разъемным, то сеть состоящим из двух соосных валов 5 и 6, что позволяет исключить центральное круговое отверстие силового среднего диска ротора 12 для размещения в нем неразъемного цилиндра вала. Поэтому оси сквозных круговых отверстий силового среднего диска 12 ротора 13, а вместе с ними и поверхности силовых звеньев кинематических пар силовой цевочной муфты секции, в профиле секции отодвинуты предельно далеко от нагретых граней ротора и находятся настолько предельно близко к коренной оси вала, что каждое сквозное отверстие среднего диска 12 ротора с установленным в нем роликом цевки 10 при работе механизма секции своим профилем способно пересекать геометрическую линию коренной оси вала. Это поддерживает сохранение минимально оптимального, то есть энергетически наиболее эффективного, размера профиля ротора. Причем каждая из осей цевок 9 также получила и в диске 7, и в диске 8 вала по одной надежной соосной ей опоре крепления для каждого из двух своих концов, повысив надежность работы механизма.

Наряду с этим, треугольный профиль дисков вала 7 и 8 валов 5 и 6 также позволил деталям механизма вписаться в оптимально минимальный габарит профиля ротора 13. Причем требуемая для этого параллельность профиля каждой грани дисков вала 7 и 8 профилю граней ротора 13 и прочих внутренних поверхностей трехгранного ротора, с которыми вал не должен сталкиваться в процессе работы двигателя, сохраняется непрерывно при любом угле поворота вала и ротора (фиг. 6, 8, 10, 12, 14, 16).

При этом при помощи трех симметричных коренной оси вала осей цевок 9, в профиле образующих вершины равностороннего треугольника, известного прочностью своей геометрической фигуры, валы 5 и 6, имеющие осевой упор на внутренних кольцах коренных подшипников качения, образуют собой единый прочный силовой вал механизма роторной секции. Чего нельзя сказать, например, про одиночный кривошип эксцентрикового вала поршневой секции, находящийся между соосными и оппозитными дисками двух соосных валов и требующий своей предельно жесткой фиксации в этих дисках, которая приводит к высокой трудоемкости уникального процесса изготовления монолитного коленчатого вала и его дороговизне.

К тому же в предложенной роторной секции с силовой цевочной муфтой совокупная площадь диаметральных сечений трех цевок вала практически равна площади диаметрального сечения шейки вала в его коренном подшипнике. В результате данная роторная секция обладает предельно коротким, легким, полноопорным, технологичным в изготовлении и надежным силовым валом.

Также крайние плоскости дисков 7 и 8 валов 5 и 6, упирающихся в жестко закрепленные внутренние кольца коренных подшипников качения, параллельно находятся в непосредственной близости от плоскостей среднего диска вала, препятствуя осевому смещению ротора в рабочей полости статора 1. Если в конструкции секции роторно-поршневого двигателя, у которого функцию ограничителя осевого смещения ротора выполняют подпружиненные уплотнительные элементы осевых плоскостей ротора, что требует непрерывного избыточного присутствия на стенках рабочей полости большого количества смазочного масла, которое сгорает вместе с топливом, снижая эффективность процесса горения топлива, одновременно загрязняя окружающую среду токсичными продуктами своего неполного сгорания, то в предложенной роторной секции с силовой цевочной муфтой масло для смазки поверхностей терния, ограничивающих осевое смещение ротора, в основном находится внутри полости ротора, снижая степень загрязнения горючей смеси заряда маслом, повышая этим эффективность сгорания топлива, уменьшая расход масла и не загрязняя окружающую среду продуктами его сгорания, повышая надежность устройства сохранения стабильности заданного осевого положения ротора. При этом с элементов уплотнения осевых плоскостей ротора полностью снимается несвойственная им функция механического амортизатора, поддерживающего стабильность осевого положения подвижного ротора в пространстве рабочей полости секции, повышая степень эффективности и надежности работы двигателя.

Благодаря поверхностному контакту роликов 10 с поверхностями отверстий силового среднего диска 12 ротора 13 в силовой цевочной муфте в любой момент времени все цевки вала 9 находятся в процессах одновременной и непрерывной передачи через них механических усилий между ротором и валом. Из-за того что все поверхности звеньев силовых кинематических пар силовой цевочной муфты являются подшипниками скольжения, в механизме секции данного роторного двигателя возможно применение энергетически высокоэффективного способа гидродинамического скольжения, имеющего низкий коэффициент трения и позволяющего передавать через себя существенные по величине импульсные усилия заряда рабочего тела. Но при этом предложенная конструкция, посредством равномерного распределения нагрузки на три узла силовых подшипников вала, вместо одного силового подшипника в секции РПД, способствует установке свободных эксцентриков цевок вала на подшипники качения. Все это существенно повышает надежность и эффективность работы двигателя.

При работе механизма секции с цевочной муфтой оси внутренней и внешней цилиндрических поверхностей кольца каждого ролика 10 цевки непрерывно радиально отстоят друг от друга на фиксированную длину прямолинейной прямой линии эксцентриситета е, каждая из которых непрерывно параллельна геометрической линии центрального эксцентриситета е, имеющего опору на коренной оси вала и в профиле находящегося между ней и осью ротора. То есть каждый ролик 10 цевки вала в предложенном механизме секции двигателя представляет собой индивидуальный свободный эксцентрик для своей оси цевки 9 вала, у которого опора его эксцентриситета привязана не к коренной оси вала, но к оси цевки 9 вала (фиг. 19). Поэтому опора рычага вращения ротора постоянно не закрепляется в какой-то одной точке пространства, но в профиле секции по направлению вращения вала относительно коренной оси вала по линии окружности с радиусом двойной длины эксцентриситета неподвижной программной шестерни 4 статора 1 перемещается точка опоры механического контакта окружности программной шестерни 16 ротора с радиусом, имеющим тройную длину эксцентриситета е. Перенос точки опоры вращающего рычага с коренной оси вала на программную окружность шестерни 4 статора приводит к троекратному увеличению максимальной длины вращающего рычага ротора L_{ротора ДЦМ} и момента силы в роторной секции с силовой цевочной муфтой, по сравнению с максимальной длиной рычага вращения вала L_РПД и момента силы в роторно-поршневой секции Ванкеля того же габарита и рабочего объема (фиг. 18). Из-за этого эффективная мощность одного такта рабочего хода в роторном двигателе внутреннего сгорания, состоящего из секций с силовой цевочной муфтой, по сравнению с роторной секцией с эксцентриковым валом возрастает почти в 3 раза.

По сравнению с секцией РПД Ванкеля, в роторной секции с цевочной муфтой большее значение момента силы производит в среднем троекратно больший по длине рычаг ротора - L_{ср.ротора ДЦМ} (фиг. 18). Транслируясь от ротора через цевочную муфту, этот момент воспроизводится на валу без изменения своего значения, несмотря на меньшую длину рычага вращения вала, находящегося в узких рамках длины эксцентриситета е.

Если учитывать, что в роторной секции с силовой цевочной муфтой за один полный оборот вала на 360 градусов производится в 3 раза большее число тактов рабочего хода, чем в роторно-поршневой секции Ванкеля, в том числе и в 6 раз большее, чем в поршневой секции, то это свидетельствует о еще большей эффективности работы предложенного двигателя по сравнению с ними в кратное количество раз. На фиг. 7, 9, 11, 13, 15, 17 показано, как в такте рабочего хода за 270 градусов поворота эксцентриситета е силовой вал роторно-поршневой секции синхронно поворачивается на тот же угол 270 градусов, в то время как силовой вал роторной секции с цевочной муфтой поворачивается только на угол 90 градусов (фиг. 6, 8, 10, 12, 14, 16).

Каждая секция роторного двигателя внутреннего сгорания с цевочной муфтой работает как тепловой мотор-редуктор. То есть данный двигатель представляет собой ДВС-редуктор.

При этом увеличение площади сечения ролика цевки 10 позволило на каждом из них установить индивидуальный противовес 11, повысив надежность работы двигателя.

Кроме применения в механизмах секций двигателя внутреннего сгорания, предложенный роторный механизм с силовой цевочной муфтой также может применяться в качестве механизма для насосов и нагнетателей объемного вытеснения, механических редукторов и прочих подобных устройств.

Источники информации

1. С.Н. Богданов, М.М. Буренков, И.Е. Иванов. «Автомобильные двигатели», издательство «Машиностроение», Москва, 1987 год, стр. 70-73.

2. С.Н. Богданов, М.М. Буренков, И.Е. Иванов. «Автомобильные двигатели», издательство «Машиностроение», Москва, 1987 год, стр. 356-358.

3. Патент RU 2455509 С2 от 09.08.2010, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/04.

Изобретение относится к машиностроению. Двигатель внутреннего сгорания состоит, по меньшей мере, из одной роторной секции, механизм которой состоит из силовой цевочной муфты и размещен внутри ротора. Ротор имеет радиальный наружный профиль в форме гипоциклоиды. При этом силовой вал секции состоит из двух соосных и взаимно оппозитных валов, внутри ротора соединенных друг с другом тремя цевками силовой цевочной муфты. Цевки параллельно оси вала закреплены на оппозитных дисках валов. Диск вала в профиле имеет форму с закругленными вершинами, по числу вершин повторяющую форму наружного профиля ротора. На каждой цевке своим эксцентрическим отверстием с возможностью вращения и скольжения установлен круговой ролик с противовесом. Своей наружной цилиндрической поверхностью каждый ролик установлен с возможностью вращения и скольжения по внутренней цилиндрической поверхности одного из сквозных круговых отверстий среднего силового диска ротора, являющегося для цевочных дисков вала ответной частью силовой цевочной муфты. Изобретение направлено на повышение эффективности и надежности работы двигателя. 19 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, состоящий, по меньшей мере, из одной роторной секции, содержащей цилиндрический статор, в коренных подшипниковых опорах плоских статорных фланцев которого соосно со статором и с возможностью вращения относительно своей коренной оси установлен силовой цилиндрический вал, содержащий, по меньшей мере, один монолитный и соосный с ним плоский диск вала, в котором параллельно коренной оси вала и в профиле симметрично ей в сквозных круговых отверстиях этого диска жестко закреплены цилиндрические цевки вала, на каждой из которых с возможностью вращения своей внутренней поверхностью по одному установлено кольцо ролика цевки вала, каждый из которых по одному своей наружной цилиндрической поверхностью размещен внутри одного внутреннего сквозного кругового отверстия среднего силового диска подвижного ротора, причем ротор имеет радиальный наружный профиль в форме гипоциклоиды, а число сквозных круговых отверстий его среднего диска равно числу вершин наружного профиля ротора, причем внутри полости ротора одна из двух плоскостей диска вала находится непосредственно около одной из двух плоскостей среднего диска ротора и параллельна ей, при этом ротор, по меньшей мере, в одном своем крайнем сечении имеет плоский диск ротора, который в профиле вокруг оси ротора содержит полое внутреннее пространство, внешне ограниченное профилем соосной с ротором программной шестерни ротора с внутренними зубьями, находящейся в зацеплении с меньшей по диаметру шестерней с внешними зубьями, жестко закрепленной соосно с коренной осью вала на внутренней поверхности близлежащего статорного фланца, при этом длина диаметра линии центральной окружности профиля ротора, на которой лежат оси сквозных круговых отверстий среднего силового диска ротора, равна длине диаметра линии центральной окружности профиля диска вала, на которой лежат оси круговых отверстий для соосного крепления в них цевок вала, число которых равно числу вершин радиального наружного профиля ротора, отличающийся тем, что центры сквозных круговых отверстий среднего силового диска ротора расположены на линиях осей симметрии вершин наружного профиля подвижного ротора с возможностью пересечения профилем круга каждого из них геометрической линии коренной оси вала, силовой вал состоит из двух соосных его коренной оси цилиндрических валов, каждый из которых одним своим концом установлен в коренной подшипниковой опоре близлежащего статорного фланца, а с другой стороны каждый из них внутри объема ротора оканчивается плоским диском вала, в профиле имеющим форму с закругленными вершинами, по числу вершин повторяющую форму наружного профиля ротора, причем круговые отверстия для крепления в них цевок вала своими осями расположены в дисках вала на линиях осей симметрии вершин их профилей, при этом торцевые плоскости дисков вала вдоль коренной оси вала внутри ротора расположены взаимно оппозитно и с разных сторон от среднего диска ротора, а каждая цевка вала своими противоположными концами по одному жестко закреплена в соосных отверстиях оппозитных дисков вала, причем оси внутренней и наружной цилиндрических поверхностей кольца каждого ролика цевки вала непрерывно отстоят друг от друга на фиксированную длину прямой линии эксцентриситета, каждая из которых параллельна геометрической линии центрального эксцентриситета, в профиле находящегося между коренной осью вала и осью ротора, при этом ось окружности наружной цилиндрической поверхности кольца каждого ролика цевки вала совпадает с осью отверстия среднего силового диска ротора, внутри которого этот ролик размещен, причем наружная цилиндрическая поверхность кольца ролика цевки вала в профиле имеет окружность диаметром, равным по длине диаметру круга отверстия среднего диска ротора, и установлена внутри этого отверстия с возможностью вращения скольжения по его внутренней поверхности, причем вдоль коренной оси вала в пространстве между средним силовым диском ротора и одним из дисков вала на одной из плоскостей кольца каждого ролика цевки вала жестко закреплена половина плоского диска противовеса ролика, причем ось наружной цилиндрической поверхности противовеса совпадает с осью наружной цилиндрической поверхности ролика.