РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ФИНКА Российский патент 2022 года по МПК F02B53/00 F02B55/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, в частности, для автомобильного транспорта.

При разработке роторно-поршневых двигателей (РПД) учитывается то их преимущество перед обычными поршневыми двигателями, что у них нет коленвала, шатунов и прочей обвязки, что делает их конструкцию гораздо проще и легче. ВРПД отсутствует преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, что приводит книзким показателям уровня вибрации. Он имеет хорошие динамические характеристики.

Наиболее известной является конструкция роторно-поршневого двигателя Ванкеля, в котором ротор-поршень установлен с возможностью вращения внутри корпуса-статора. Двигатель Ванкеля четырехтактный, т.е. за один полный оборот ротора происходит впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Этот двигатель, по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, обладает рядом преимуществ - он конструктивно гораздо проще, легче, имеет хорошие динамические характеристики, низкие показатели уровня вибрации.

Однако, наряду с указанными преимуществами, этому двигателю присущи и недостатки. Ввиду особенностей конструкции, пятно контакта ротора со стенками корпуса небольшое, поэтому сложно обеспечить требуемую герметичность рабочей камеры, что в итоге ведет к ухудшению мощностных характеристик. Кроме того, известный двигатель склонен к перегреву, как из-за трения вращающихся деталей, так и из-за того, что объем камеры сгорания непосредственно прилегает к внутренней поверхности корпуса. В связи с этим возникает необходимость использования специальных материалов в зонах перегрева, а также решение вопроса о системе охлаждения.

Известен ряд роторно-поршневых двигателей, в которых частично устранены вышеуказанные недостатки (например, RU 2251620 или RU 235839). В известных конструкциях вопрос герметичности рабочих камер решен путем использования специальных прокладок, а от перегрева применяется встроенная система охлаждения.

Однако такие решения приводят к усложнению и удорожанию конструкции и недостаточно эффективны, поскольку не обеспечивают достаточную мощность и плавность хода двигателя.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение мощности и плавности хода двигателя, при одновременном упрощении конструкции и снижении ее стоимости.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, включающем статор, ротор и механизм синхронизации, статор представляет собой разъемный корпус сферической формы с, по меньшей мере, двумя впускными и двумя выпускными отверстиями (окнами), ротор представляет собой, расположенные вдоль центральной оси корпуса два соосных вала -ведущий и ведомый, оснащенные жестко укрепленными на них, соответственно, по меньшей мере, 4-мя ведущими и 4-мя ведомыми поршнями, при этом ведомые и ведущие поршни имеют форму долей шара, образованных его меридиональными секущими плоскостями, причем ведущие и ведомые поршни ориентированы внутри корпуса вокруг его центральной оси в чередующейся между собой последовательности, с возможностью образования рабочих камер между боковыми поверхностями смежных долей. При этом механизм синхронизации размещен снаружи корпуса (статора) и включает в себя неподвижную корончатую шестерню, внутри которой диаметрально противоположно размещены две сателлитные шестерни, связанные посредством первого водила с ведущим валом ротора, а второе водило закреплено на ведомом валу ротора, причем каждый из концов второго водила соединен тягой с периферийной точкой соответствующей сателлитной шестерни, при этом количество зубьев и диаметр сателлитной шестерни, относится к количеству зубьев и диаметру корончатой шестерни, как 1:4.

В предпочтительном варианте исполнения каждый из соосных валов (ведущий и ведомый) выполнен с размещенными на нем поршнями как единая деталь, т.е. заодно с поршнями.

На боковых поверхностях смежных поршней (долей) могут быть выполнены симметричные выемки, что позволит увеличить объем рабочих камер.

В предпочтительном варианте исполнения двигатель может быть оснащен, по меньшей мере, двумя свечами зажигания и/или двумя форсунками.

Заявленный двигатель может работать на бензине, дизельном топливе, и пр. При этом конструкция дополняется свечами зажигания в случае реализации бензинового двигателя.

Заявленное техническое решение иллюстрируется графическими материалами, отражающими предпочтительное конструктивное воплощение предлагаемого устройства (вариант двигателя, работающего на бензине).

На Фиг. 1 изображен общий вид снаружи заявленного роторно-поршневого двигателя;

На Фиг. 2 - вид на механизм синхронизации;

На Фиг. 3 - поперечный разрез двигателя;

На Фиг. 4 - поперечный разрез двигателя в изометрии;

На Фиг. 5 - схематическое изображение работы двигателя по тактам на примере одной камеры;

На Фиг. 6 - ротор с поршнями;

На Фиг. 7 - возможный вариант исполнения поршней с выемками;

Предлагаемый роторно-поршневой двигатель включает статор, в виде разъемного корпуса 1, имеющего сферическую форму, ротор, представляющий собой два соосных вала -ведущий вал 2 и ведомый вал 3, установленных вдоль центральной оси корпуса 1 с возможностью вращения. К каждому из этих валов жестко прикреплены и равномерно распределены по окружности вала по четыре поршня 4 и 5, соответственно. Таким образом, ведущий вал 2 с поршнями 4 и ведомый вал 3 с поршнями 5, установленные соосно, совместно являются ведущей и ведомой частями ротора. Поршни 4 и 5 по форме выполнены в виде отдельных долей шара, образованных сечением тела шара меридиональными плоскостями. Поршни 4 ведущего вала 2 располагаются внутри корпуса 1 таким образом, что происходит их чередование с поршнями 5 ведомого вала 3, а их сферическая поверхность обращена к внутренней стенке корпуса 1. Всего внутри корпуса 1 установлено восемь поршней (4 ведущих и 4 ведомых), их размеры подобраны таким образом, что между боковыми поверхностями смежных поршней 4 и 5 образуются рабочие камеры 6. Причем для увеличения рабочего объема камер 6, на смежных боковых поверхностях поршней (долек) 4 и 5, соответственно, могут выполняться углубления (выемки) 7. В стенке корпуса имеются диаметрально противоположные впускные отверстия 8,предназначенные для подачи топлива и воздуха, а также диаметрально противоположные выпускные отверстия 9 для выпуска отработанных газов (выхлопа).

Заявленная конструкция предусматривает использование двух свечей зажигания 10, каждая из которых установлена в нижней мертвой точке соответствующей зоны сжатия. Под нижней мертвой точкой (НМТ) зоны сжатия понимается место, где заканчивается зона сжатия, после которой начинается рабочий ход. Впуск готовой топливно-воздушной (горючей) смеси осуществляется через впускные отверстия 8. Возможен и другой вариант исполнения, являющийся более предпочтительным, а именно, впускные отверстия 8 могут быть использованы для подачи воздуха, а подача (впрыск) топлива осуществляется посредством форсунок 11, которые размещаются ближе к нижней мертвой точке зоны сжатия, в непосредственной близости от свечи зажигания 10.

Снаружи корпуса 1 размещен механизм синхронизации, включающий неподвижную корончатую шестерню 12, внутри которой расположены два водила 13 и 14, укрепленные на ведущем 2 и ведомом 3 валах, соответственно. На концах водила 13 установлены диаметрально противоположно сателлитные шестерни 15, входящие в зацепление с корончатой шестерней 12, а концы водила 14 посредством тяги (соединительного звена) 16 связаны с периферийными точками 17 соответствующих сателлитных шестерней 15. При этом количество зубьев сателлитной шестерни относится к количеству зубьев корончатой шестерни как 1:4. А диаметр саттеллитной шестерни относится к диаметру корончатой шестерни как 1:4.

В отличие от известных двигателей, заявленный, в силу своих конструктивных особенностей позволяет за один полный оборот ротора реализовать (осуществить) гораздо большее количество тактов (в общей сложности 64 такта), в связи с чем увеличивается плавность хода, при одновременном увеличении мощности двигателя. Кроме того, обеспеченная механизмом синхронизации схема движения поршней роторов позволяет поршням ведомого ротора совершать незначительные перемещения относительно поршней ведущего ротора, а, как следствие, снизить перегрев от трения вращающихся деталей. Стенки корпуса 1 не будут перегреваться, поскольку основной объем камеры сгорания будет приходиться на промежутки между смежными поршнями с выемками на их боковых поверхностях.

Внутри корпуса предусмотрена система уплотнений для обеспечения необходимой герметичности, однако в материалах данной заявки эта информация не раскрыта, поскольку она не входит в объем притязаний заявителя.

Устройство работает следующим образом. В камеру 6 двигателя через впускное отверстие 8 подается воздух или топливно-воздушная смесь (в зависимости от конструктивного исполнения данного узла). Далее, при вращении ротора, механизм синхронизации заставляет двигаться ведомый и ведущий поршни ротора с определенными угловыми скоростями, при этом расстояние между смежными поверхностями поршней увеличивается до заполнения объема камеры впускаемой средой. После этого следует такт сжатия, при котором происходит сближение поверхностей смежных поршней (долек) ротора. В этот момент зона сжатия подходит к тому месту на корпусе, где расположена свеча зажигания. В предпочтительном варианте исполнения, перед свечой зажигания по ходу движения поршней может быть установлена форсунка для впрыска топлива (в этом случае через впускное окно подается только воздух, а не готовая топливно-воздушная смесь). Далее происходит воспламенение горючей смеси и начинается следующий такт- рабочий ход, при котором продукты горения давят на поверхность поршня ротора, в результате чего происходит передача механического усилия ведомому ротору. Продукты горения с одинаковой силой давят на поверхности поршней ротора, заставляя их двигаться с положительной угловой скоростью относительно корпуса двигателя, поскольку механизм синхронизации обеспечивает вращательное движение ведущего вала ротора с постоянной угловой скоростью, а ведомого вала ротора с переменной. Во время заключительного такта - выпуска, вращающийся ротор сближает смежные поверхности поршней и происходит вытеснение отработанных газов через выпускное отверстие. Четыре такта осуществляются за пол-оборота, а за полный оборот ротора - восемь тактов. Это касается процесса только в одной рабочей камере за один полный оборот ротора. Поскольку таких камер в объеме корпуса всего восемь, то за один оборот ротора заявляемая конструкция позволяет осуществить значительное увеличение числа тактов двигателя (64 такта).

Предлагаемая конструкция достаточно компактная, экономичная и обладает повышенными мощностными характеристиками и плавностью хода.

В процессе работы устройства, ведущий вал 2 с поршнями 4 движется с постоянной угловой скоростью, а ведомый вал 3 с поршнями 5, вращается в том же направлении, что и вал 2, но с переменной угловой скоростью, в результате поршни 5 совершают неравномерное движение - то отстают от поршней 4, то догоняют их, при этом угловая скорость всегда положительная относительно статора (корпуса 1), т.е. обратного вращения не происходит. Механизм синхронизации отрегулирован (за счет указанного соотношения числа зубьев корончатой и сателлитной шестерней и их диаметров) таким образом, что сближение поршней происходит на этапе сжатия и выпуска, а на впуске и во время рабочего хода расстояние между смежными поршнями увеличивается. Во время рабочего хода, после того, как происходит воспламенение и сгорание топливо-воздушной смеси, на поршень ведомого ротора воздействует механическое разгонное усилие. В двигателе Ванкеля, где за полный оборот ротора осуществляется только один рабочий ход, механическое усилие на ротор воздействует всего один раз. Предложенная конструкция позволяет осуществить такое воздействие на поршень многократно за один полный оборот ротора. А именно: количество поршней на каждом из валов ротора (ведущем и ведомом) составляет в сумме 8 штук, а сами поршни выполнены в виде шаровых долек, определенным образом размещенных в пространстве сферического корпуса с образованием восьми рабочих камер между смежными поверхностями поршней. Поршни совершают угловое перемещение в определенном порядке, обеспечиваемом специальным механизмом синхронизации, кроме того используются две свечи зажигания, расположенные диаметрально противоположно. Все это в совокупности обеспечивает 16-ти кратное увеличение рабочих тактов (т.е. 64 такта вместо 4-х, обеспечиваемых известными конструкциями), а, следовательно, разгонное механическое усилие воздействует на поршни за один оборот ротора не один, а шестнадцать раз. При этом мощность двигателя значительно возрастает. Поскольку в процессе работы происходят лишь небольшие перемещения ведомого ротора относительно ведущего, то ход двигателя становится более плавным. При небольших относительных перемещениях, уменьшаются трение и перегрев, а значит упрощается система охлаждения и снижаются требования к подбору материалов.

Каждый из валов ротора может быть изготовлен заодно с поршнями в виде единой детали, что упрощает конструкцию и, соответственно, ее стоимость.

В результате использования в заявленном двигателе описанного сочетания конструктивных элементов, их определенного выполнения и взаимосвязи, становится возможным достижение технического результата, заключающегося в повышении мощности и плавности хода двигателя, при одновременном упрощении его конструкции и снижении стоимости.

Изобретение может быть использовано в роторных двигателях. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания включает статор, ротор и механизм синхронизации. Статор представляет собой разъемный корпус (1) сферической формы с, по меньшей мере, двумя впускными, двумя выпускными отверстиями. Ротор представляет собой расположенные вдоль центральной оси корпуса два соосных вала (2) и (3) - ведущий и ведомый. Ведущий и ведомый валы (2) и (3) оснащены жестко укрепленными на них, соответственно, по меньшей мере, 4-мя ведущими и 4-мя ведомыми поршнями (4) и (5). Ведомые и ведущие поршни (4) и (5) имеют форму долей шара, образованных его меридиональными секущими плоскостями. Ведущие и ведомые поршни (4) и (5) ориентированы внутри корпуса (1) вокруг его центральной оси в чередующейся между собой последовательности, с возможностью образования рабочих камер между боковыми поверхностями смежных долей. Механизм синхронизации размещен снаружи статора и включает в себя неподвижную корончатую шестерню, внутри которой диаметрально противоположно размещены две сателлитные шестерни, связанные посредством первого водила с ведущим валом (2) ротора. Второе водило закреплено на ведомом валу (3) ротора. Каждый из концов второго водила соединен тягой с периферийной точкой соответствующей сателлитной шестерни. Количество зубьев и диаметр сателлитной шестерни относятся к количеству зубьев и диаметру корончатой шестерни как 1:4. Технический результат заключается в повышении мощности и плавности хода двигателя при одновременном упрощении конструкции. 2.з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий статор, ротор и механизм синхронизации, при этом статор представляет собой разъемный корпус сферической формы с, по меньшей мере, двумя впускными, двумя выпускными отверстиями, ротор представляет собой расположенные вдоль центральной оси корпуса два соосных вала - ведущий и ведомый, оснащенные жестко укрепленными на них, соответственно, по меньшей мере, 4-мя ведущими и 4-мя ведомыми поршнями, при этом ведомые и ведущие поршни имеют форму долей шара, образованных его меридиональными секущими плоскостями, причем ведущие и ведомые поршни ориентированы внутри корпуса вокруг его центральной оси в чередующейся между собой последовательности, с возможностью образования рабочих камер между боковыми поверхностями смежных долей, а механизм синхронизации размещен снаружи статора и включает в себя неподвижную корончатую шестерню, внутри которой диаметрально противоположно размещены две сателлитные шестерни, связанные посредством первого водила с ведущим валом ротора, а второе водило закреплено на ведомом валу ротора, причем каждый из концов второго водила соединен тягой с периферийной точкой соответствующей сателлитной шестерни, при этом количество зубьев и диаметр сателлитной шестерни относятся к количеству зубьев и диаметру корончатой шестерни как 1:4.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на боковых поверхностях смежных поршней выполнены симметричные выемки.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он оснащен, по меньшей мере, двумя свечами зажигания и/или двумя форсунками.