Бесшатунный роторный двигатель Российский патент 2020 года по МПК F02B75/32 F02B75/28 F01B9/06 F01B7/02 

Изобретение предназначено для использования в двигателестроении и в других отраслях. Двигатель может быть использован в качестве источника механической энергии машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, для привода различных промышленных и бытовых агрегатов.

Известна поршневая машина, (патент РФ на изобретение №2163973, 10.03.2001, бюл. №7), которая содержит цилиндры с поршнями, установленные оппозитно на кронштейнах силовой рамы, расположенный между поршнями вал с дисками, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены профильные беговые дорожки (эллиптические канавки) в виде непрерывных ручьев, в цилиндрах выполнены боковые прорези, в которых скользят поршневые пальцы, взаимодействующие посредством роликовых опор с боковыми поверхностями ручьев обоих дисков. Каждый поршень имеет два днища, между которыми установлен поршневой палец, а каждый цилиндр с торцов закрыт головками с впускными и выпускными клапанами и имеет боковые приливы для крепления кронштейнов с подшипниковой опорой вала.

Недостатками поршневой машины являются: "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек (ВМТ И НМТ); большой износ роликов и кромок эллиптических канавок; большой износ стенок боковых прорезей в цилиндрах и пальцев; низкая надежность двигателя.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), принятый за прототип (патент РФ на изобретение №2167321, опубл. 20.05.2001, бюл. №14), который содержит корпус, четыре пары оппозитно расположенных цилиндров, восемь поршней, жестко соединенных штоками с валами роликов и расположенных в цилиндрах с образованием рабочих камер (камер сгорания), и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное прикреплен к валам отбора мощности и выполнен из двух маховиков, расточенных на торце овалевидными (эллиптическими) канавками для скольжения рабочих роликов. Две опорные планшайбы жестко прикреплены к корпусу двигателя и имеют четыре паза для скольжения опорных роликов. Имеются две пары валов, на концах которых запрессованы опорные и рабочие ролики, которые позволяют преобразовать возвратно-поступательное движение во вращательное, обеспечивая каждому обороту вала восемь тактов "Рабочий ход".

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: корпус, в котором расположены цилиндры с камерами сгорания и поршнями, жестко соединенные штоками с валами роликов, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Недостатки прототипа: низкая надежность двигателя, вызванная высоким износом роликов и кромок эллиптических канавок; большое трение в местах прохода штоков поршней.

Изобретение направлено на повышение надежности двигателя.

Это достигается тем, что бесшатунный роторный двигатель содержит корпус, в котором расположены цилиндры с камерами сгорания и поршнями, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Поршни жестко соединены штоками с валами роликов. В предложенном решении на корпусе для каждого из цилиндров закреплен контакт зажигания и установлен ротор, внутри которого выполнена эллиптическая полость с двумя выступами зажигания и тремя Т-образными эллиптическими канавками. Цилиндры своей средней частью закреплены под углом 120° друг к другу на корпусе последовательно вдоль оси ротора и перпендикулярно оси ротора. Каждый цилиндр содержит два поршня, одну камеру сгорания и свечу зажигания. На каждом поршне закреплены два параллельных штока, свободные концы которых выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника. На противоположных концах штоков закреплен вал с двумя роликами.

На каждом поршне, для уменьшения его давления на стенки цилиндра и поворота вокруг своей оси, закреплены два параллельных штока, свободные концы которых, в целях уменьшения трения выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника. На других концах штоков закреплен вал с двумя роликами механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Ротор состоит из выходного вала и эллиптической полости, внутри которой выполнены три Т-образные эллиптические канавки. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное состоит из вала с двумя роликами и эллиптической канавки.

Предотвращение поворота поршня вокруг своей оси за счет применения параллельных штоков исключает перекос вала с роликами во время движения внутри эллиптической канавки, тем самым уменьшает износ роликов и кромок эллиптической канавки. Поршни в цилиндре кинематически связаны через синхронизирующий механизм.

В отличие от кривошипно-шатунного механизма синхронизирующий механизм двухтактного бесшатунного ДВС воспринимает только разность сил, действующих на противоположные поршни, которая при нормальной работе двухтактного бесшатунного ДВС сравнительно мала. Роль синхронизирующего механизма выполняют ролики и эллиптическая канавка.

В соответствии с предложенным изобретением три цилиндра расположены под углом 120°, оси которых пересекаются на оси ротора двигателя с обеспечением симметрии и сбалансированности работы двигателя. В каждый момент времени двигатель совершает рабочий ход, исключая "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек. Ротор двигателя может вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки в зависимости от направления запуска, то есть двигатель является реверсивным.

Известен принцип работы двухтактного свободнопоршневого ДВС каждого из цилиндров бесшатунного роторного двигателя [Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей // Под редакцией А.С. Орлина и М.М. Круглова. 4-е издание. Москва «Машиностроение». 1990. §37. С. 261]. Поршни разведены в стороны и находятся в нижних мертвых точках (НМТ). Поршни перемещаются от НМТ нижней к верхней ВМТ, перекрывая сначала продувочные, а затем выпускные окна. После закрытия поршнями выпускных окон в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в камерах под поршнями вследствие их герметичности и после того как поршни перекрывают продувочные окна, под поршнями создается разряжение, под действием которого через впускные окна и приоткрытые клапана поступает горючая смесь в камеры сгорания под поршнями. При положении поршней около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется от свеча зажигания. Под действием теплового расширения газов поршни перемещаются в противоположные стороны к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, двигаясь к НМТ, поршни создает высокое давление в камерах под поршнями, сжимая горючую смесь в них. Под действием давления клапаны закрываются, не давая, таким образом, горючей смеси выходить назад из камер. Когда поршни дойдут до выпускных окон они открываются и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршни открывают продувочные окна и сжатая в камерах под поршнями горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен разрез двигателя вдоль продольной оси вращения ротора, фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1.

Двигатель содержит корпус 1. на котором закреплен блок из трех цилиндров 2,3,4 и установлен ротор 5. При этом цилиндры 2. 3. 4 своей средней частью закреплены под углом 120° друг к другу на корпусе I последовательно вдоль оси ротора 5 и перпендикулярно оси ротора. На корпусе 1 для каждого из цилиндров закреплен контакт зажигания 6. Каждый из цилиндров 2,3,4 содержит по два поршня 7 и 8, камере сгорания 9 и свече зажигания 10. На каждом поршне 7 и 8 закреплены два параллельных штока 11, свободные концы которых выведены за пределы корпуса 1 через два линейных подшипника 12. На противоположных концах штоков 11 закреплен вал 13 с двумя роликами 14.

Ротор 5 имеет эллиптическую полость, внутри которой выполнены три (по количеству цилиндров) Т-образные эллиптические канавки 15 и два выступа зажигания 16.

При этом поршень с параллельными штоками, на концах которых закреплен вал с двумя роликами, вместе с эллиптическими канавками образуют механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Двигатель работает следующим образом.

Исходное положение. Ротор 5 зафиксирован при вращении по часовой стрелке. Поршни 7 и 8 цилиндра 2 разведены в стороны и находятся в НМТ в готовности к такту сжатия. Поршни 7 и 8 цилиндра 3 находятся на пути от ВМТ к НМТ в режиме такта рабочего хода. Поршни 7 и 8 цилиндра 4 находятся на пути от НМТ к ВМТ в режиме такта сжатия.

Рассмотрим работу двигателя на примере цилиндра 2. Ротор 5 вращается относительно корпуса 1 по часовой стрелке за счет рабочего хода цилиндра 3.

Поворот ротора от 0° до 90°.

а) Такт сжатия. Ротор 5, прокатываясь своей канавкой 15 по роликам 14 вала 13, нажимает штоками 11 через линейные подшипники 12 на поршни 7 и 8, двигая их от НМТ к ВМТ в цилиндре 2, сжимая горючую смесь в камере сгорания 9. В момент когда малая ось эллиптической канавки 15 совпадет с осью цилиндра 2, поршни 7 и 8 будут находиться в ВМТ, в камере сгорания 9 будет сжата горючая смесь. Ротор 5 своим выступом зажигания 16 замыкает контакт зажигания 6 на корпусе 1. Подается напряжение на свечу зажигания 10. Начинается такт рабочего хода.

Поворот ротора от 90° до 180°

б) Такт рабочего хода. Поршни 7 и 8 за счет давления сгоревших газов двигаются от ВМТ к НМТ и через штоки 11, с линейными подшипниками 12, нажимают на вал 13 с роликами 14, которые прокатываясь по эллиптической канавке 15, поворачивают ротор 5, совершая полезную работу.

Поворот ротора от 180° до 270°

см. а) Такт сжатия.

Поворот ротора от 270° до 360°

см. б) такт рабочего хода.

Таким образом, цилиндр 2 за один оборот ротора 5 совершает два рабочих хода. Одновременно с цилиндром 2 аналогично работают цилиндры 3 и 4. Итак, за один оборот ротора 5 совершаются шесть рабочих ходов, причем в каждый момент времени совершается рабочий ход, тем самым исключается "замирание" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек.

Далее циклы повторяются.

Из всего вышесказанного следует, что использование предложенного изобретения приводит к исключению "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек; уменьшению бокового давления поршней на стенки цилиндров, обеспечению сбалансированности двигателя, уменьшение износа роликов и кромок эллиптических канавок; уменьшению трения в местах прохода штоков поршней за счет линейных подшипников, установленных в корпусе, тем самым увеличивая ресурс работы двигателя, обеспечению реверсирования двигателя. В результате этого повышается надежность двигателя.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Бесшатунный роторный двигатель содержит корпус (1), в котором расположены цилиндры (2), (3), (4) с камерами сгорания (9) и поршнями (7), (8) и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Поршни (7), (8) жестко соединены штоками (11) с валами (13) роликов (14). На корпусе (1) для каждого из цилиндров (2), (3), (4) закреплен контакт (6) зажигания и установлен ротор (5). Внутри ротора (5) выполнена эллиптическая полость с двумя выступами (16) зажигания и тремя Т-образными эллиптическими канавками (15). Цилиндры (2), (3), (4) своей средней частью закреплены под углом 120° друг к другу на корпусе (1) последовательно вдоль оси ротора (5) и перпендикулярно оси ротора (5). Каждый цилиндр (2), (3), (4) содержит два поршня (7), (8), одну камеру сгорания (9) и свечу зажигания. На каждом поршне (7), (8) закреплены два параллельных штока (11), свободные концы которых выведены за пределы корпуса (1) через два линейных подшипника (12). На противоположных концах штоков (11) закреплен вал (13) с двумя роликами (14). Для подачи напряжения на свечу зажигания выступ (16) зажигания замыкает контакт (6) зажигания. Технический результат заключается в повышении надежности двигателя. 2 ил.

Бесшатунный роторный двигатель, содержащий корпус, в котором расположены цилиндры с камерами сгорания и поршнями, жестко соединенные штоками с валами роликов, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, отличающийся тем, что на корпусе для каждого из цилиндров закреплен контакт зажигания и установлен ротор, внутри которого выполнена эллиптическая полость с двумя выступами зажигания и тремя Т-образными эллиптическими канавками, а цилиндры своей средней частью закреплены под углом 120° друг к другу на корпусе последовательно вдоль оси ротора и перпендикулярно оси ротора, а каждый цилиндр содержит два поршня, одну камеру сгорания и свечу зажигания, на каждом поршне закреплены два параллельных штока, свободные концы которых выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника, а на противоположных концах штоков закреплен вал с двумя роликами, а для подачи напряжения на свечу зажигания выступ зажигания замыкает контакт зажигания.