Овально-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания со скользящим ротором Российский патент 2025 года по МПК F02B53/00 F02B55/02 

Область техники

Двигателестроение; транспорт; электрогенерация.

Уровень техники

Приближенным аналогом и единственным роторным поршневым двигателем, выпускаемым промышленностью в ограниченном количестве, - является двигатель Ванкеля, устроенный следующим образом: установленный на валу трехгранный ротор, жестко соединенный с зубчатым колесом, обращается вокруг неподвижной шестерни.

При этом, каждая из вершин ротора совершает движение по поверхности цилиндра специальной формы, отсекая переменные объемы камер в цилиндре, что позволяет осуществить четырехтактный цикл двигателя. Двигатель Ванкеля, относительно традиционного поршневого двигателя, отличается: компактностью, высокой удельной мощностью, низким уровнем вибрации, частотой оборотов.

Существенным недостатком являются: сложность изготовления, недостаточная экономичность, повышенный износ деталей и малый ресурс двигателя («Большая советская энциклопедия» 1969-1986 г., третье издание).

Также существуют теоретические разработки различных вариантов роторного лопастного двигателя, состоящего из сложносоставного ротора, размещенного внутри цилиндра. Двигатель имеет механизм связи, позволяющий частям ротора совершать движения относительно друг друга и относительно цилиндра, а также механизм синхронизации движений и передачи движения выходному валу.

Общим недостатком роторных лопастных двигателей являются: сложность конструкции, проблема синхронизации и импульсный характер движения. О промышленном изготовлении роторных лопастных двигателей (без учета газотурбинных двигателей, являющихся отдельным видом), заявителю неизвестно (Энциклопедия «Машиностроение» 1994-2015 г., том четыре - 14, год издания 2005, Фролов К.В.; газета «Энергетика и промышленность России» №10 (74) - 2006 - октябрь; патенты, выданные «Роспатент»: RU 2786092 С1 // Бутенко О.П.; RU 2783737 С1 // Финк Ю.М.; RU 213237 U1 // Клементьев В.В.; RU 2772161 С1 // Егоров Д.Л.; RU 207889 U1 // Рогачев В.Р.).

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

Целями создания описываемого изобретения являются: расширение технического арсенала двигателей внутреннего сгорания; создание компактного, максимально простого и пригодного для ремонта двигателя, состоящего из минимального количества деталей, для массового промышленного производства.

Принцип действия

Построим эллипс следующим образом (фиг. 1):

на вертикальной оси эллипса заданной длины «b» обозначим точку «о», несовпадающую с центром эллипса, которая разделит вертикальную ось на два разновеликих отрезка. Повернем ось эллипса на угол в девяносто градусов, одновременно осуществляя поступательное движение оси таким образом, чтобы при достижении осью горизонтального положения, точка «о» делила ось на два равных отрезка. Таким же способом повернем ось еще на девяносто градусов в том же направлении, чтобы она вернулась в первоначальное положение. При этом, окончания оси опишут эллипс определенной конфигурации, в котором ось «b», совершающая вращательное и возвратно-поступательное движение относительно точки «о», будет постоянно отсекать два сектора переменного объема, что может быть использовано для процесса сжатия-расширения. Максимальная разница площади секторов будет достигаться при нахождении оси «b» в горизонтальном положении.

Обозначим отношение длины оси «b» к наименьшей длине отрезка оси символом «n», как заданную величину, определяющую местонахождение точки «о» при построении эллипса.

Таким образом, предел соотношения площади секторов (аналог степени сжатия) будет находиться в зависимости от величины «n».

Ассоциируем вышеизложенное на детали двигателя:

площадь эллипса - это сечение цилиндра двигателя;

точка «о» - это ось вала двигателя;

ось эллипса «b» - это поперечная ось плоского ротора, совершающего вращательное и скользящее возвратно-поступательное движение относительно вала, и отсекающего в цилиндре две камеры переменного объема.

Решения отдельных технических вопросов данного изобретения

1) Вопрос черчения заданного эллипса полости цилиндра (изготовление лекала):

Для начертания эллипса полости цилиндра (фиг. 1) чертим вертикальный отрезок длины «b»; исходя из заданной величины «n» отмечаем точку «о», через которую проводим горизонтальный отрезок длиной «b», центр которого находится в точке «о»; соединяем верхнюю точку вертикального отрезка с крайней точкой горизонтального отрезка хордой, через центр которую проводим перпендикулярную прямую, пересечение которой с вертикальным отрезком будет являться центром окружности (r) для начертания верхней, определяющей дуги эллипса; остальные точки эллипса будут лежать на прямых, проходящих через точку «о», на расстоянии равном длине оси «b», от верхней дуги эллипса (также возможно изготовление специального циркуля для начертания данного эллипса).

2) Вопрос противоположенного давления:

Поскольку ротор имеет два плеча относительно оси вала, плечи будут испытывать разнонаправленное давление газа.

Для вращения ротора в заданном направлении необходимо обеспечить разницу объемов газа, оказывающих давление на плечи ротора в точке максимального сжатия. Данная задача решается посредством особой конфигурации ротора (фиг. 3). На одно плечо ротора устанавливается накладка (4), уменьшающая объем газа между плечом и стенкой цилиндра, а в другом плече имеется окно (wr), через которое газ заполняет внутреннюю полость накладки, расположенной на противоположенной стороне ротора.

Таким образом, давление на одно плечо ротора всегда значительно превышает давление на другое плечо.

А также двигатель состоит из двух цилиндров, следовательно, при любом угле поворота, в одной из четырех камер двигателя всегда происходит такт расширения.

3) Вопросы трения и смазки:

Для уменьшения трения вала (2) о переборки цилиндра (9; 16), - в переборках устанавливаются подшипники (10), смазанные вязкой смазкой и защищенные от полости цилиндра шайбой (11) (фиг 2; 4). Для уменьшения трения по периметру ротора о стенку цилиндра, - между ротором и цилиндром, имеется микро зазор, исключающий трение, а контакт ротора с боковой стенкой цилиндра осуществляется посредством упоров (5), скользящих по каналам (с) цилиндра.

Контакт ротора с частью составного вала (2) происходит на ограниченной площади плоских накладок (15), заменяемых при техническом обслуживании двигателя.

Для смазки упоров и плоских накладок, в нижней части каналов цилиндра находится постоянный уровень масла, поступающего из отдельной емкости через отверстие (m) в каналах цилиндра. При прохождении упора ротора (5) через нижнюю точку упор смазывается, а также при помощи выступа захватывает масло и под действием инерции направляет его в сторону плоских накладок, обеспечивая их смазку.

4) Вопросы газодинамики:

В каждой камере двигателя за два оборота ротора происходит четыре такта (впуск; сжатие и воспламенение; расширение; выпуск). На торцевых переборках двигателя (16) расположены впускное (wi) и выпускное (wa) окна (фиг. 4).

Открытие и закрытие окон обеспечивается дисковыми заслонками (18), перекрывающими окна, и вращаемыми шестерней вала (17). Диаметр заслонки в два раза больше диаметра шестерни вала, - оборот вала обеспечивает поворот заслонки на пол оборота, что обеспечивает непрерывную смену тактов в камерах двигателя. Выставление нужного угла заслонки, зависящего от угла поворота ротора, происходит при сборке двигателя. При открытом впускном окне, топливо-воздушная смесь поступает в камеру двигателя, проходя через патрубок (21), расположенный на крышке (20) торцевой переборки. При открытом выпускном окне, отработанные газы выходят через патрубок (22) в систему выхлопа.

Воспламенение топливо-воздушной смеси осуществляется свечой зажигания, в момент, регулируемый замыкателем зажигания (23), расположенным на торцевой части вала (2).

5) Организация охлаждения двигателя:

Охлаждение двигателя происходит посредством рубашки охлаждения (6) (фиг. 1), установленной на цилиндр двигателя. Насос охлаждения, приводимый в движение от шкива вала двигателя, обеспечивает непрерывное движение охлаждающей жидкости от рубашки к радиатору.

Определение основных параметров двигателя

Степень сжатия задается в зависимости от используемого топлива (оптимально от 12 до 14).

Отношение ширины ротора (b) к его минимальному плечу (число «n»), и пропорции объемных накладок ротора зависят от заданной степени сжатия. Отношение длины ротора к его ширине задается.

Полезная мощность двигателя задается.

Ширина ротора (b) и максимальная частота оборотов вала, - являются функциями от заданной мощности, характеристик топлива, геометрических пропорций двигателя.

Параметры цилиндра связаны с параметрами ротора.

Детали двигателя

Двигатель имеет два цилиндра (1) (фиг. 1; 5) с полостью вышеописанной эллипсоидной формы. По краям полости расположены каналы (с) движения упоров ротора, в нижней части имеющие отверстие (т), в которое устанавливается патрубок подачи масла (7). К внешним стенкам цилиндра крепится рубашка охлаждения (6).

Цилиндры соединены между собой центральной переборкой (9) (фиг. 2), посредством соединительных втулок (12) и углов (13). Центральная переборка имеет отверстие (hv), в которое устанавливаются: подшипник вала (10); защитная шайба подшипника (11) и центральная часть вала (2). Окончания центральной части вала имеют съемные накладки (8), в виде пластины или в виде роликов, в зависимости от размеров вала.

Внутри полости цилиндра располагается ротор (фиг. 3), устанавливаемый ребром в разрез центральной части вала.

Ротор состоит из рамы (3) с окном (wr) и вырезами для установки упоров (u). На раму ротора устанавливаются: объемные накладки (4); плоские накладки (15) и упоры (5). Упоры устанавливаются в вырез (u) и соединяются с вырезом рамы ротора винтами после установки ротора в цилиндр.

С торца цилиндра, при помощи болтового соединения, устанавливается торцевая переборка (16) (фиг. 4). Торцевая переборка имеет отверстие (hv), в которое устанавливаются: подшипник вала (10); защитная шайба подшипника (11) и торцевая часть вала (2). Торцевая переборка имеет: впускное (wi) и выпускное (wa) окна; отверстие для установки свечи зажигания (hf); отверстия для втулок заслонок, а также отверстия (h) для крепления переборки к цилиндру и крепления крышки переборки (20).

Заслонка окна (18) представляет собой монолитный диск с зубьями, втулкой и вырезанным сегментом. Заслонка входит в зацепление с шестерней вала (17). На торцевую переборку устанавливается крышка (20), имеющая: отверстие выхода вала; отверстия втулки заслонки; отверстия патрубка впуска (21) и патрубка выпуска (22); отверстия для крепления крышки к торцевой переборке.

На торцевую часть вала (2), за пределами крышки, устанавливаются и фиксируются при помощи шпилек: замыкатель свечи зажигания (23); маховик для соединения вала со стартером (24); шкив привода вспомогательных агрегатов (25).

Краткое описание чертежей

На всех чертежах цифрами обозначены отдельные детали, а буквами обозначены геометрические особенности монолитной детали.

Фиг. 1 содержит изображение цилиндра двигателя (фронтальный вертикальный разрез), где:

«b» - малая ось эллипса, определяющая ширину ротора;

«о» - ось вала, центр вращения ротора;

«r» - радиус верхней определяющей дуги эллипса;

«1» - цилиндр двигателя;

«2» - составной вал двигателя;

«3» - рама ротора;

«4» - объемная накладка ротора;

«5» - упор ротора;

«6» - рубашка охлаждения двигателя (накладная емкость с охлаждающей жидкостью);

«7» - патрубок подачи масла;

«8» - накладка вала;

«w» - внутренняя полость цилиндра;

«с» - канал внутренней полости цилиндра;

«m» - отверстие подачи масла;

«h» - отверстие крепления;

«wr» - окно рамы;

«wn» - внутренняя полость ротора.

Фиг. 2 содержит изображение центральной переборки двигателя, (вертикальный продольный разрез), где:

«9» - центральная переборка;

«о» - ось вала;

«hv» - отверстие для установки центральной части вала;

«h» - отверстие крепления;

«2» - центральная часть вала;

«8» - накладка вала;

«10» - подшипник вала;

«11» - защитная шайба подшипника;

«12» - втулка, соединяющая цилиндры и переборку;

«13» - угловое внешнее соединение цилиндра с переборкой;

«14» - стяжка углового соединения.

Фиг. 3 содержит изображение ротора двигателя, где:

«3» - рама ротора;

«wr» - окно рамы ротора;

«u» - вырез рамы для установки упора;

«4» - объемная накладка ротора;

«5» - упор ротора;

«10» - плоская накладка ротора.

Фиг. 4 содержит изображение торцевой переборки двигателя (горизонтальный разрез, вид сверху), где:

«16» - торцевая переборка;

«hf» - отверстие установки свечи зажигания;

«h» - отверстия для крепления переборки к цилиндру;

«wi» - впускное окно;

«wo» - выпускное окно;

«wz» - вырез заслонки;

«hn» - отверстие крепления насадки вала;

«2» - торцевая часть вала двигателя;

«17» - шестерня вала, вращающая заслонки;

«18» - дисковая заслонка окна цилиндра;

«19» - втулка заслонки;

«10» - подшипник вала;

«11» - защитная шайба подшипника;

«20» - крышка торцевой переборки;

«21» - патрубок впуска топливо-воздушной смеси;

«22» - патрубок выпуска отработанных газов;

«23» - замыкатель цепи зажигания;

«24» - маховик, соединяющий вал со статором;

«25» - шкив привода вспомогательных агрегатов.

Фиг. 5 содержит изображение цилиндра двигателя в сборе с переборками, (боковой вид, с изображением вертикального разреза цилиндра вдоль оси вала), где:

«1» - цилиндр двигателя;

«2» - вал;

«3» - рама ротора;

«4» - объемная накладка ротора;

«5» - упор ротора;

«9» - центральная переборка;

«16» - торцевая переборка;

«6» - рубашка охлаждения;

«15» - плоская накладка ротора;

«7» - патрубок подачи масла;

«wr» - окно рамы ротора;

«с» - канал внутренней полости цилиндра;

«m» - отверстие подачи масла.

Осуществление изобретения

Детали двигателя, испытывающие динамическую нагрузку, могут быть изготовлены из легированной стали или титанового сплава (в зависимости от области использования), методом литья, токарной обработки, шлифовки, полировки, сверления. Сборка двигателя происходит посредством соединения деталей при помощи болтов, втулок и шпилек необходимого размера. Детали двигателя, не испытывающие нагрузки (патрубки, емкости охлаждения) могут быть изготовлены из алюминия.

Двигатель состоит из двух цилиндров (1) (фиг. 1), соединенных центральной переборкой (9) (фиг. 2), в которую установлена центральная часть вала (2) с подшипником (10) и защитной шайбой (11). На стенки цилиндра устанавливается рубашка охлаждения (6). С каждого торца цилиндра устанавливается торцевая переборка (16) (фиг. 4) имеющая впускное и выпускное окна, с торцевой частью вала (2).

Во внутренней полости цилиндра располагается ротор (фиг. 3), входящий в зацепление с центральной и торцевой частями вала в местах контакта плоской накладки ротора (15) с накладкой вала (8). Съемные упоры ротора (5) располагаются в каналах полости цилиндра. В нижнюю часть канала, через отверстие и патрубок (7) поступает масло для смазки упора ротора. Между цилиндром (1) и рамой ротора (3) по всему периметру имеется зазор, исключающий контакт рамы с цилиндром. Таким образом, площадь одномоментного трения сводится к площади упоров и площади накладок вала (8).

В связи с малым размером зазора и большой частотой оборотов вала, проникновение газа между камерами и снижение компрессии будет незначительно.

С внешней стороны торцевой переборки (16) (фиг. 4), установлены дисковые заслонки газодинамических окон (18), приводимые в движение шестерней вала (17). В торцевую переборку устанавливается свеча зажигания. На торцевую переборку устанавливается крышка (20), имеющая отверстия впускного (21) и выпускного (22) патрубков.

На торцевую часть вала (2), устанавливаются и фиксируются шпильками, насадки вала: замыкатель цепи зажигания (23); маховик, соединяющий вал со статором (24); шкив привода вспомогательных агрегатов (25). На окончание вала устанавливается муфта сцепления и нагрузка (электрогенератор или редуктор движителя).

При подаче электрического тока на стартер двигателя, стартер входит в зацепление с маховиком вала (24) и вращает вал.

Роторы совершают вращательное движение относительно стенки цилиндра и скользящее возвратно-поступательное движение относительно вала, при этом создавая в отсекаемых ими камерах цилиндра перепады давления. Приводимые в движения шестеренкой вала (17) заслонки (18), обеспечивают своевременное открытие и закрытие впускного и выпускного окон торцевой переборки. При открытом впускном окне, топливно-воздушная смесь, (в течение 180 градусов оборота ротора) поступает из карбюратора в камеру цилиндра, сжимается при повороте ротора (на следующие 180 градусов), воспламеняется от свечи зажигания, и расширяется вращая ротор с валом (в течении следующих 180 градусов оборота), после чего отработанные газы (в течении 180 градусов оборота) выходят через окно выпуска. Таким образом, в каждой камере двигателя, за два оборота вала происходит полный газодинамический цикл.

Поскольку два цилиндра двигателя в сумме имеют четыре камеры, следовательно, при любом угле поворота, в одной из камер будет происходить такт расширения, что обеспечит стабильные обороты вала.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Овально-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания со скользящим ротором состоит из двух цилиндров (1), одной центральной переборки с установленной в ней центральной частью вала с подшипником, двух торцевых переборок с входными и выходными газодинамическими окнами. В переборках установлены торцевые части вала с подшипниками и с шестернями вращения заслонок газодинамических окон. Два ротора разделяют полости цилиндров на камеры переменного объема и имеют раму с вырезанными в ней окнами. Газодинамические заслонки входных и выходных окон торцевых переборок, имеющих дисковидную форму с внешней зубчатой передачей и вырезанным внутренним сегментом. Крышки торцевых переборок выполнены с патрубками входа и выхода газа и с отверстиями для торцевых частей вала и внешних насадок торцевых частей вала, предназначенных для привода вспомогательных механизмов. Геометрия поперечного сечения внутренней полости (w) цилиндра (1) представляет собой эллипс. Внутренняя полость каждого цилиндра имеет два канала (с) для движения упоров (5) ротора. В нижней части каждого канала расположено отверстие (m) подачи масла для смазки упоров ротора. Цилиндры (1) соединены между собой центральной переборкой, имеющей отверстие, в котором установлена центральная часть вала (2) с подшипником. С торца каждого цилиндра устанавливается торцевая переборка, имеющая впускное и выпускное окна. Во внутренней полости цилиндра (1) располагается ротор, разделяющий внутреннюю полость цилиндра на две камеры переменного объема и входящий в зацепление с центральной и торцевой частями вала (2). Ротор выполнен с возможностью сочетания вращательного и скользящего возвратно-поступательного движения относительно оси вала (о). Ротор состоит из рамы (3) с окнами (wr) и объемными накладками (4). Ротор имеет упоры (5), расположенные в вырезах рамы. На раме ротора располагаются плоские сменяемые накладки. Вал (2) выполнен составным, состоящим из центральной и двух торцевых частей, со смещенной по вертикали относительно центра сечения цилиндра осью вращения (о). Дисковые заслонки газодинамических окон торцевой переборки посредством зубчатой передачи входят в зацепление с шестерней торцевой части вала и вращаются, совершая полный оборот за время двух оборотов вала. Заслонки имеют вырезанный сегмент. На торцевую переборку устанавливается герметичная крышка торцевой переборки, имеющая отверстие для выхода торцевой части вала, а также патрубок (21) впуска топливо-воздушной смеси и патрубок (22) выпуска отработанных газов. Двигатель снабжен накладной емкостью (6) с охлаждающей жидкостью. На торцевых частях вала, за пределами крышек торцевых переборок, располагаются насадки привода вспомогательных механизмов. Технический результат заключается в создании компактного, простого двигателя, состоящего из минимального количества деталей. 5 ил.

Овально-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания со скользящим ротором, состоящий из двух цилиндров с внутренними полостями, имеющими фронтальное поперечное сечение эллипсоидной формы, с каналами для движения упоров ротора и отверстиями подачи масла, одной центральной переборки с установленной в ней центральной частью вала с подшипником, двух торцевых переборок с входными и выходными газодинамическими окнами, с установленными в переборках торцевыми частями вала с подшипниками и с шестернями вращения заслонок газодинамических окон, двух роторов, разделяющих полости цилиндров на камеры переменного объема и имеющих раму с вырезанными в ней окнами, упоры, плоские и объемные накладки рамы, газодинамических заслонок входных и выходных окон торцевых переборок, имеющих дисковидную форму с внешней зубчатой передачей и вырезанным внутренним сегментом, с втулками вращения, крышек торцевых переборок с патрубками входа и выхода газа и с отверстиями для торцевых частей вала и внешних насадок торцевых частей вала, предназначенных для привода вспомогательных механизмов, отличающийся тем, что геометрия поперечного сечения внутренней полости (w) цилиндра (1) представляет собой эллипс, получаемый путем вращения отрезка (b) длины, соответствующей ширине ротора относительно перпендикулярной оси (о), соответствующей оси вала, с одновременным возвратно-поступательным движением относительно оси (о) с заданной амплитудой и частотой, равной одному обороту, внутренняя полость каждого цилиндра имеет два канала (с) для движения упоров (5) ротора, в нижней части каждого канала расположено отверстие (m) подачи масла для смазки упоров ротора, цилиндры (1) соединены между собой центральной переборкой (9), имеющей отверстие (hv), в которое установлена центральная часть вала (2) с подшипником (10), имеющая сменяемые накладки (8), с торца каждого цилиндра устанавливается торцевая переборка (16), имеющая впускное (wi) и выпускное (wo) окна, с торцевой частью вала (2) с подшипником (10), с отверстием (hf) для установки свечи зажигания; во внутренней полости цилиндра (1) располагается ротор, разделяющий внутреннюю полость цилиндра на две камеры переменного объема и входящий в зацепление с центральной и торцевой частями вала (2), ротор выполнен с возможностью сочетания вращательного и скользящего возвратно-поступательного движения относительно оси вала (о), ротор состоит из рамы (3) с окнами (wr) и объемными накладками (4), ротор имеет упоры (5), расположенные в вырезах (u) рамы, на раме ротора располагаются плоские сменяемые накладки (15), на упорах имеется выступ для захвата масла с нижней части канала и его подачи на плоские накладки ротора, вал (2) выполнен составным, состоящим из центральной и двух торцевых частей, со смещенной по вертикали относительно центра сечения цилиндра осью вращения (о), дисковые заслонки (18) газодинамических окон торцевой переборки посредством зубчатой передачи входят в зацепление с шестерней (17) торцевой части вала и вращаются относительно оси втулки (19), установленной в торцевую переборку, совершая полный оборот за время двух оборотов вала, заслонки имеют вырезанный сегмент (wz), на торцевую переборку устанавливается герметичная крышка (20) торцевой переборки, имеющая отверстие для выхода торцевой части вала, а также патрубок (21) впуска топливо-воздушной смеси и патрубок (22) выпуска отработанных газов, двигатель снабжен накладной емкостью (6) с охлаждающей жидкостью; на торцевых частях вала, за пределами крышек торцевых переборок, располагаются насадки привода вспомогательных механизмов - замыкателя (23) цепи зажигания, маховик соединения со стартером (24), шкивы привода агрегатов генератора, насоса охлаждения, а также нагрузки - редуктора движителя или генератора.