Двигатель внутреннего сгорания с зубчатыми роторами

 

Изобретение относится к моторостроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Техническая задача изобретения: создание бескривошипного роторного двигателя внутреннего сгорания, обладающего уравновешенностью динамических масс, отсутствием кривошипно-шатунной системы как источника вибраций, стабильным уплотнением рабочей камеры, высоким моторесурсом, упрощенной конструктивной, технологической и ремонтной сложностью. Между внешней 1 и средней 2 стенками размещены два блока некруглых зубчатых колес 3 и 4, находящихся между собой в зацеплении. Каждый блок включает четыре некруглых зубчатых колеса, формирующих рабочую камеру переменного объема. Колеса 4 насажены на оси 7, которые через подшипники 8 пропущены наружу, где на свободные концы насажены зубчатые колеса 9, равные зубчатым колесам 10, насаженным на главный силовой вал 11. Некруглые зубчатые колеса 3 насажены на оси 12, которые через подшипники 8 закреплены на средней стенке 2. Главный силовой вал 11 пропущен через коренные подшипники 13 внешних стенок 1 и средней стенки 2. Силовой вал 11 снабжен маховиком 14, кулачковыми дисками 15. На концах силового вала 11 установлены полумуфты 16, служащие для соединения с аналогичными полумуфтами соседних двигательных блоков или с потребителем мощности. 3 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к моторостроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен "Орбитальный ДВС", представляющий собой корпус, вращающийся на неподвижном валу, на котором косо насажена звезда с закрепленными на ней парами криволинейных поршней, перемещающихся в криволинейных цилиндрах, размещенных во вращающемся корпусе. В ходе вращения корпуса происходит взаимное перемещение цилиндров и поршней, чем создаются условия для осуществления тактов работы, свойственных ДВС. Возникающий при работе двигателя крутящий момент передается внешней кинематической цепи через зубчатое колесо, закрепленное неподвижно на корпусе. Подача рабочей смеси осуществляется через полость в неподвижном валу. Выводы проводников свечей зажигания замыкаются в надлежащий момент на внешнюю цепь зажигания [1].

Положительными особенностями данного аналога являются компактность устройства, относительная простота конструкции; малая удельная масса на единицу мощности в сравнении с традиционными шатунно-кривошипными поршневыми ДВС (2-3 кратная и сопоставимая по этому показателю с ДВС Ванкеля).

Недостатками данного ДВС являются высокая технологическая сложность производства криволинейных цилиндров и поршней, сложность эксплуатации, регулировки, проведения ремонтных работ в условиях специализированных ремонтных центров, а также незначительного ремонта собственными силами при аварийных ситуациях в пути и т.д.

В качестве прототипа принимается роторный двигатель инженера Ванкеля [2].

Сущность конструкции роторного двигателя Ванкеля заключается в том, что трехгранный ротор обкатывает внутреннюю поверхность эпитрохоидального цилиндроида, причем ребра ротора отсекают в ходе своего вращения рабочие камеры переменного объема, в которых протекают процессы разных тактов рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания. Постоянство контакта ребер ротора с поверхностью эпитрохоидального цилиндроида обеспечивается за счет синхронного обката неподвижного зубчатого колеса, закрепленного на корпусе, зубчатым колесом с внутренним зацеплением, размещенным на роторе. Постоянство зацепления этой зубчатой пары обеспечивается планетарным перемещением ротора посредством водила в виде кривошипа на главном валу двигателя. Указанная конструкция имеет высокую удельную мощность, т.е. мощность на единицу массы двигателя; компактность, относительную спецификационную простоту, пониженное содержание токсичных компонентов в выхлопных газах. Кроме того, отсутствуют шатуны, что исключает один из главных источников вибрации.

Однако конструкция двигателя имеет значительную технологическую сложность производства, особенно при обработке внутренней поверхности эпитрохоидального цилиндроида как при изготовлении, так и при проведении ремонтных работ, неуравновешенность центра массы ротора перемещающегося эксцентрично относительно оси вращения главного вала двигателя, что создает предпосылки для возникновения вибрации несмотря на наличие противовесов. Кроме того, пониженная уплотняющая способность радиальных компрессионных узлов (пластины, полосы, размещенные в пазах на ребрах ротора) из-за непостоянства плоскости контакта между поверхностью цилиндроида и компрессионных элементов приводит к криволинейной форме контактирующей поверхности последних (в поперечном сечении), т.е. возникает контакт не по площади, а по линии. Указанный прототип имеет также конструктивную ограниченность возможного числа компрессионных элементов (практически не более двух) на каждом ребре ротора, ограниченные возможности форсирования двигателя путем повышения степени сжатия и температуры сгорания рабочей смеси, опасность перегрева ротора вследствие неудовлетворительных условий теплоотвода (осуществляемого на 75-90%), через компрессионные элементы (в традиционных поршневых двигателях через компрессионные кольца) в сторону корпуса (стенки цилиндра), а также высокую конструктивную, технологическую и ремонтную группу сложности.

Технической задачей изобретения является создание бескривошипного роторного двигателя внутреннего сгорания, обладающего уравновешенностью динамических масс, отсутствием кривошипно-шатунной системы как источника вибраций, стабильным уплотнением рабочей камеры, высоким моноресурсом, упрощенной конструктивной технологической и ремонтной сложностью.

Это достигается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания с зубчатым ротором, содержащем рабочие камеры, образованные блоками зубчатых колес, установленными между средней и торцевыми стенками, силовой вал, компрессионные уплотнения, систему зажигания и газораспределение, рабочая камера выполнена с переменным объемом благодаря блоку из четырех некруглых зубчатых колес, симметрично расположенных относительно одно другого и находящихся между собой в постоянном зацеплении. Кроме того, компрессионное уплотнение рабочей камеры обеспечено за счет контакта рабочих зубьев зубчатых колес в зоне их зацепления, контакта шлифованных притертых поверхностей торцов зубчатых колес и плотностей торцевых и средней стенок, а также за счет подпружиненных ленточных компрессионных колец, размещенных в пазах торцевых поверхностей зубчатых колес. Пары противолежащих колес блока монтируются на неподвижной стенке, а другая - на средней подвижной стенке с возможностью разворота этой стенки вокруг центральной оси относительно неподвижной стенки. При этом двигатель внутреннего сгорания благодаря наличию средней подвижной стенки состоит из двух рабочих камер, работающих синхронно в различных тактах четырехтактного цикла.

На фиг. 1 показана конструктивно-кинематическая схема двигателя (боковая проекция); на фиг. 2 - то же, вид сверху по стрелке Б; на фиг. 3 - проекция с торца по стрелке А; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 - схема взаиморасположения некруглых зубчатых колес в исходном положении (0^о); на фиг. 7 - то же, при развороте колеса "а" на 45^о (от исходного положения); на фиг. 8 - то же, при развороте колеса "а" на 90^о; на фиг. 9 - то же, при развороте колеса "а" на 135^о; на фиг. 10 - то же, при развороте колеса "а" на 180^о; на фиг. 11 - то же, при развороте колеса "а" на 360^о (полный четырехтактный рабочий цикл двигателя); на фиг. 12 - уплотнение между боковой стенкой и торцевой поверхностью некруглого зубчатого колеса посредством подпружиненного ленточного кольца.

В двигателе внутреннего сгорания с зубчатыми роторами между внешними 1 и средней 2 стенками размещаются два блока некруглых зубчатых колес 3 и 4, находящихся между собой в зацеплении (фиг.5). В каждый блок входят чытыре некруглых зубчатых колеса, формирующих рабочие камеры 5 и 6 переменного объема, максимального размера (фиг.5) и минимального (фиг.8). Колеса 4 насажены на оси 7, которые через подшипники 8 пропущены наружу, где на свободные концы насажены зубчатые колеса 9, равные зубчатым колесам 10, насаженным на главный силовой вал 11. Некруглые зубчатые колеса 3 насажены на оси 12 (фиг.2), которые пропущены через подшипники 8, укрепленные в средней стенке 2. Главный силовой вал 11 пропущен через коренные подшипники 13 внешних стенок 1 и средней стенки 2. На силовом валу 11 насажен маховик 14, а также кулачковые диски 15. На концах силового вала 11 установлены полумуфты 16, служащие для соединения с аналогичными полумуфтами соседних двигательных блоков (на фиг. 1 и 2 показаны пунктиром) или с потребителем мощности. В центральной части внешних стенок 1 подсоединяются всасывающий патpубок 17 и патрубок 18 выхлопа. На входе в рабочую камеру 5 (6) установлены всасывающий 19 и выхлопной 20 клапаны. Вблизи клапанов 19 и 20 размещены свечи 21 зажигания. Внешние стенки 1 вместе с кольцом 22, на котором закреплена внешняя обойма подшипника 23, стянуты шпильками 24.

Принцип работы предлагаемого двигателя заключается в следующем. Два блока некруглых зубчатых колес 3, 4 находятся в зацеплении (фиг.6). Это положение принимают за исходное (0^о). Внутреннее пространство, ограниченное контурами зубчатых колес, представляет собой наибольший объем рабочей камеры 5. Все четыре колеса обозначены буквами "а", "б", "в" и "г". Оси вращения этих колес размещены на окружности радиусом R. Для лучшей ориентировки в ходе вращения колес на них нанесены черные пятнышки.

При вращении колеса "а" остальные колеса также приходят в движение. При развороте колеса "а" на 45^о взаимное расположение станет таким, как показано на фиг. 7. Объем рабочей камеры уменьшается. Оси вращения колес "б" и "г" перемещаются по дуге окружности с радиусом, отклоняясь от ординаты на некоторый угол 0,5 α. Максимальное отклонение происходит, когда большие оси некруглых колес сопрягаются в прямую линию. Дальнейший разворот колеса "а" вызывает уменьшение отклонения линии, соединяющей центры вращения колес "б" и "г" от вертикального положения (ординаты). При развороте колеса "а" на 90^о взаимное расположение некруглых колес принимает вид, показанный на фиг. 8, а размеры рабочей камеры 6 достигают минимальных размеров. В ходе последующего разворота колес размеры рабочей камеры увеличиваются, линия соединяющая центры вращения колес "б" и "г", отклоняется от вертикального положения, но уже в другую сторону. При угле разворота колеса "а", равном 135^о, взаимное расположение всех колес будет таким, как показано на фиг. 9. При развороте колеса "а" на 180^о все колеса занимают положение, показанное на фиг. 10, когда размеры рабочей камеры 5 вновь достигают максимальной величины, т.е. расположение колес аналогично их расположению на фиг. 6, однако расположение контрольных пятен иное. Требуется разворот всех колес еще на 180^о для достижения первоначального (исходного) их положения. Таким образом, за полный оборот некруглых зубчатых колес (на 360^о) размеры камеры 5 и 6 дважды максимальны и дважды минимальны соответственно. Это соответствует полному четырехтактному циклу ДВС (см.фиг.11): 0^о (360^о) - окончание всасывания рабочей смеси, начало ее сжатия; 90^о - окончание сжатия рабочей смеси и начало рабочего хода; 180^о - завершение рабочего хода и начало вытеснения продуктов сгорания (выхлоп); 270^о - завершение процесса вытеснения продуктов сгорания (выхлопа) и начало всасывания рабочей смеси; 360^о (0^о) - завершение процесса всасывания рабочей смеси и начало сжатия ее (начало следующего цикла).

Кинематика работы двигателя заключается в следующем.

Вращая силовой вал 11 с помощью любого пускового устройства (не показано), приводят во вращение (через колеса 10) колеса 9, которые передают вращение через оси 7 некруглым колесам 4. Разворачиваясь, колеса 4 заставляют вращаться колеса 3, размещенные на осях 12.

Колеса 3 ("б" и "г" фиг. 6 и 7) с осями 12 размещены на подвижной средней стенке 2. Вследствие изменения межосевого расстояния между колесами "а" и "б" (а также "б" и "в" и т.д.) в ходе разворота некруглых колес 3 средняя стенка 2 разворачивается вокруг оси главного силового вала 11 на своем подшипнике 13 и на внешнем подшипнике 23 для компенсации упомянутого изменения межосевого расстояния.

При развороте колес 3 и 4 рабочая камера, ограниченная с торцов стенками 1 и 2, уменьшается, начинается процесс сжатия ранее засосанной рабочей смеси (фиг.7). При достижении максимального сжатия (фиг.8) свечой 21 смесь поджигается и начинается рабочий ход, при котором некруглые колеса разворачиваются под воздействием возникшего давления газов. В конце такта рабочего хода кулачковый диск 15 посредством клапана 20 открывает путь для выхлопа газов через патрубок 18. В ходе продолжающегося вращения некруглых колес 3 и 4 рабочая камера уменьшается, а отработанные продукты сгорания из нее вытесняются до завершения такта выхлопа. К концу этого такта клапан 20 закрывается, но открывается клапан 19, который дает путь для подачи рабочей смеси по всасывающему патрубку 17. По окончании такта всасывания клапан 19 закрывается и блок некруглых колес, продолжая вращение, возобновляет очередной цикл тактом сжатия рабочей смеси. Средняя стенка 2 (см.фиг.1 и 2) разделяет пространство между внешними стенками 1 на два отсека, в которых функционируют две рабочие камеры, действующие синхронно, поскольку все некруглые колеса взаимосвязаны кинематическими цепями, включающими оси 7 и 12, колеса 9 и 10, силовой вал 11. Для плавности работы двигателя циклы смещены, т. е. когда в одной камере протекает процесс сжатия рабочей смеси, во второй камере происходит выхлоп.

Вращение всей системы зубчатых колес, включая и некруглые, будет равномерным, поскольку зацепление между некруглыми колесами происходит в симметричных точках колесных пар, т.е. точках с равными текущими значениями радиусом (фиг. 6 и 7), что обеспечивает постоянство угловой скорости вращения в любой момент вращения колес (в любой текущей точке зацепления).

Формула изобретения

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЗУБЧАТЫМИ РОТОРАМИ, содержащий рабочие камеры, образованные блоками зубчатых колес, установленными между средней и торцевыми стенками, силовой вал, компрессионные уплотнения, систему зажигания и газораспределения, отличающийся тем, что рабочая камера выполнена с переменным объемом благодаря блоку из четырех некруглых зубчатых колес, симметрично расположенных относительно друг друга и находящихся между собой в постоянном зацеплении.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессионное уплотнение рабочей камеры обеспечено за счет контакта рабочих зубьев зубчатых колес в зоне их зацепления, контакта шлифованных притертых поверхностей торцов зубчатых колес и плоскостей торцевых и средней стенок, а также за счет подпружиненных ленточных компрессионных колец, размещенных в пазах торцевых поверхностей зубчатых колес.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пары противолежащих колес блока монтируются на неподвижной стенке, а другая - на средней подвижной стенке с возможностью разворота этой стенки вокруг центральной оси относительно неподвижной стенки.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он благодаря наличию средней подвижной стенки состоит из двух рабочих камер, работающих синхронно в различных тактах четырехтактного цикла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12