Роторный двигатель внутреннего сгорания "витязь"

 

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для использования в транспортной технике наземного и воздушного сообщения. Изобретение позволяет повысить мощность, долговечность, надежность и топливную экономичность двигателя. Двигатель содержит корпус с эпитрохоидальной поверхностью, форсунку для впрыска топлива, впускное и продувочно-заполнительные окна. Двухвершинный ротор совершает планетарное движение в корпусе. Синхронизация движения ротора и вращения эксцентрикового вала выполнена с помощью синхронизирующих втулок. В цилиндрические выемки торцевых крышек установлены синхронизирующие втулки с параллельными боковыми срезами на концах, заходящими в торцевые пазы ротора и контактирующие по площадкам с их боковыми параллельными стенками, направление которых совпадает с направлением продольных осей торцевых синхронизирующих пазов ротора, проходящими через центр ротора. Боковые параллельные стенки синхронизирующих пазов ротора соединены между собой дугами, выполненными по радиусам, соответствующим радиусу внешней окружности цилиндрической поверхности синхронизирующих втулок и обеспечивающих относительно последних перемещение синхронизирующих пазов ротора при выполнении диаметра эксцентрикового вала большого размера. 2 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для использования в автомобильном и воздушном транспорте.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, который имеет корпус с эпитрохоидальной поверхностью и в корпусе размещается трехгранный ротор, совершающий планетарное движение и на гранях ротора выполнены камеры сгорания. В корпусе этого двигателя имеются выпускное и продувочно-заполнительные окна, расположенные близко друг к другу и в корпус вмонтированы две форсунки для впрыска топлива, а отработанные газы поступают на турбокомпрессор, который применяется в комплексе с двигателем для подачи воздуха на продувку и заполнение рабочих камер с наддувом, см. реферативный журнал: Двигатели внутреннего сгорания N 8, Москва, 1988 г., стр. 51, статья: Усовершенствование ДВС фирмы Marda (Япония).

Однако известный двигатель имеет существенные недостатки, так как в нем нельзя выполнить компактную камеру сгорания, потому что в нем максимальная степень сжатия равна 15,5 и при подвижной камере сгорания в нем невозможно обеспечить хороший процесс горения топлива и поэтому он имеет невысокую экономичность, а при синхронизации вращения ротора и эксцентрикового вала при помощи цилиндрических шестерен, соотношение диаметров делительных окружностей которых равно 2:3 и меньшая шестерня неподвижно закреплена на одной торцевой крышке, а большая шестерня установлена на торце ротора, и так как соприкосновение шестерен происходит по линии контакта, то удельное давление на зубья шестерен резко возрастает при резком изменении знакопеременных сил инерции ротора при частом изменении режима работы двигателя и это приводит к быстрому износу синхронизирующих шестерен и понижает надежность работы двигателя и, кроме этого, диаметр меньшей неподвижной шестерни предопределяет величину диаметра эксцентрикового вала, что не позволяет выполнить его достаточно большим для получения более высокой мощности двигателя, что более заметно проявляется при выполнении двигателя с двухвершинным ротором в соответствии с патентом N 2087729.

Известно также то, что роторный двигатель с двухвершинным ротором можно выполнить с синхронизацией вращения ротора и эксцентрикового вала с помощью синхронизирующих втулок с параллельными боковыми поверхностями, установленных на цилиндрических выступах торцевых крышек и заходящих в торцевые синхронизирующие пазы ротора с параллельными боковыми поверхностями и при этом на одной торцевой крышке цилиндрический выступ выполняется соосно оси корпуса, а на другой торцевой крышке - эксцентрично оси корпуса, как это показано в заявке на роторный компрессор N 4408842, по которой было выдано авторское свидетельство N 1585554, переоформленное после в патент, где синхронизирующие элементы контактируют по площадкам и поэтому на них действуют меньшие удельные нагрузки и вследствии этого повышается надежность работы и долговечность двигателя.

Однако известная синхронизации с помощью синхронизирующих бесшестеренчатых элементов имеет существенный недостаток, так как выполнение цилиндрических выступов на торцевых крышках корпуса увеличивает размеры установленных на них, синхронизирующих втулок, и на одном торце ротора продольная ось синхронизирующего паза совпадает с короткой поперечной осью ротора, что не позволяет выполнить достаточной длины этот синхронизирующий паз и все это препятствует увеличению диаметра эксцентрикового вала и поэтому невозможно изготовить двигатель высокой мощности.

Задачей настоящего изобретения является создание роторного двигателя внутреннего сгорания с планетарным движением ротора с двумя вершинами при выполнении синхронизации его движения и вращения эксцентрикового вала с помощью синхронизирующих элементов, контактирующих по площадкам и позволяющим значительно увеличить диаметр эксцентрикового вала с целью создания двигателя более высокой мощности по сравнению с известным трехвершинным ротором, совершающим планетарное движение в результате применения синхронизирующих шестерен.

Задача решается тем, что для создания двигателя с планетарным движением ротора используется схема с очень высокой степенью сжатия, равной 140 (см. первую схему ряда - 1 на фиг. 27, указанной выше книги С.Б. Ханин и др.), в которой вращение двухвершинного ротора и эксцентрикового вала происходит в соотношении 1: 2 и которая позволяет даже при снижении степени сжатия до 60 из-за неполного использования объема рабочих камер выполнить в корпусе компактную стационарную камеру сгорания при необходимой степени сжатия в пределах 14 - 20 для работы двигателя по экономичному двухтактному дизельному циклу и в таком двигателе синхронизация движения двухвершинного ротора и эксцентрикового вала выполнена с помощью синхронизирующих элементов, включающих цилиндрические синхронизирующие втулки, установленные в цилиндрических выемках, выполненных на торцевых крышках с центрами на расстоянии величины эксцентриситета по разные стороны от горизонтальной оси корпуса на пересечении прямых, проведенных к ней под углами 45^o от центра эксцентрикового вала, и прямых, проведенных из точки, эксцентричной центру корпуса, под углами 22,5^o к вертикальной оси, проходящей через эту точку, что позволяет заметно уменьшить размер синхронизирующих втулок и выполнить их цилиндрическими, имеющими параллельные боковые срезы на концах, заходящих в торцевые синхронизирующие пазы ротора и контактирующих с их боковыми параллельными стенками, совпадающими с направлением продольных осей синхронизирующих пазов ротора, проходящих через центр ротора под углами 22,5^o к продольной оси ротора, что позволяет значительно удлинить синхронизирующие пазы, которые перемещаются относительно синхронизирующих втулок уменьшенного размера и это позволяет заметно увеличить диаметр эксцентрикового вала и обеспечить получение высокой мощности двигателя, который целесообразно выполнять из двух и более секций, так как это облегчает уравновешивание роторов и делает более предпочтительным его выполнение с турбокомпрессором.

Изобретение поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 показан роторный двигатель внутреннего сгорания в поперечном разрезе B-B, выполненном на фиг. 2, на которой он показан в продольном разрезе A-A, выполненном на фиг. 1.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с эпитрохоидальной поверхностью, близкой к кольцевой, в котором размещается двухгранный ротор 2, сидящий свободно на эксцентрике 3 эксцентрикового вала 4, и расстояние от центра последнего O₁ до центра O₂ эксцентрика 3 определяет величину эксцентриситета E и центр корпуса 1 находится на равном ему расстоянии O-O₁= H= E на горизонтальной оси двигателя, проходящей через центр корпуса O и центр O₁ эксцентрикового вала 4. Корпус 1 закрыт торцевыми крышками 5x и 5y, в которых на расстоянии величины эксцентриситета E по разные стороны от центра O₁ эксцентрикового вала 4 и под углами 45^o от горизонтальной оси корпуса 1 и вблизи точки, эксцентричной центру корпуса O, в данный момент на фиг. 1, совпадающей с центром O₂ эксцентрика 3 (O₂ одновременно является и центром ротора 2), выполнены с центрами O₃ и O₄ цилиндрические выемки 6 с графитовыми подшипниками на цилиндрических стенках, в которые установлены цилиндрические синхронизирующие втулки 7 с параллельными боковыми срезами на концах, заходящими в торцевые синхронизирующие пазы ротора 8 и контактирующими с их боковыми параллельными стенками, совпадающими с направлением продольных осей x - x и y - y торцевых синхронизирующих пазов ротора 8, проходящих через центр O₂ ротора 2 под углами 22,5^o к продольной оси ротора 2, и боковые синхронизирующие стенки торцевых пазов ротора 8 соединены между собой по дугам, выполненным по радиусам, соответствующим радиусу внешней окружности цилиндрической поверхности синхронизирующих втулок 7, но с целью более четкого отражения на фиг. 1 показаны только попавшие в разрез B-B, установленная по центру O₃ в торцевой крышке 5x синхронизирующая втулка 7 и синхронизирующий паз ротора 8 с продольной осью x - x, и такие же синхронизирующие элементы находятся с противоположной стороны ротора - синхронизирующая втулка 7, установленная по центру O₄ в торцевой крышке 5y (это видно на фиг. 2), и синхронизирующий паз ротора 8 с продольной осью y - y и так как они не видны на фиг. 1, то поэтому не показаны, и при этом следует отметить, что только установка синхронизирующих элементов с двух торцов ротора 2 обеспечивает надежную постоянную синхронизацию планетарного движения двухвершинного ротора 2 и вращения эксцентрикового вала 4. Ротор 2 уплотняется с помощью торцевых пластин 9 и радиальных пластин 10, соединенных с помощью цилиндрических сухариков 11. Торцевые и радиальные уплотнительные пластины к сопрягаемым поверхностям прижимаются с помощью гофрированных пружин 12 и на торцах ротора 2 установлены еще маслосъемные пластины 13, соединенные тоже с цилиндрическими сухариками 11 и вместе с ними они поджимаются также к торцевым крышкам 5x и 6y гофрированными пружинами 12, а из-за необходимости обхода радиальных синхронизирующих пазов ротора 8 применение вместе маслосъемных колец маслосъемных пластин 13 повышает надежность торцевого уплотнения ротора 2. Эксцентриковый вал 4 опирается на подшипники скольжения 14 торцевых крышек 5x и 5y, а в ротор 2 вмонтирован подшипник скольжения 15, которым он опирается на эксцентрик 3 эксцентрикового вала 4, на одном конце которого выполнены шлицы 16 для съема мощности, а на другом имеется шпонка 17 для установи привода вспомогательных агрегатов.

Между корпусом 1 и его торцевыми крышками 5x и 5y установлены уплотнительные прокладки 18. В корпусе 1 выполнена компактная камера сгорания 19, в которую вмонтирована форсунка 20, которых можно установить две, и еще в нем имеется выпускное окно 21 и расположенное близко к нему продувочно-заполнительное окно 22. Выпуск отработанных газов в смеси с охлаждающим их воздухом показан стрелками с крестиками 23, а поступление воздуха в рабочие камеры К-1 и К-2 показано стрелками с ноликом 24. И на фиг. 1 показано, что в этот момент ось воздушной завесы П-П проходит через середину продувочно-заполнительного окна 22 и ось O₂ ротора 2 и на торцевых крышках 5x и 5y по оси П-П, всегда постоянную, выполнены боковые продувочные окна 25.

Двигатель работает по двухтактному циклу. Из фиг. 1 следует: в данный момент прохождения ротора 2 из рабочей камеры К-1 практически весь сжатый воздух вытеснен в камеру сгорания 19, в которую форсункой 20 впрыскивается топливо, а рабочая камера К-2 в это время имеет наибольший объем и поэтому через продувочно-заполнительное окно 22 и боковые продувочные окна 25 уже прекратилось добавление в нее воздуха 24 для разбавления горячих отработанных газов и ниже оси воздушной завесы П-П в рабочей камере К-2 находится только воздух 24, так как воздушная завеса не позволила проникнуть сюда отработанным газам, а выше оси воздушной завесы П-П находится смесь этих газов 23 с воздухом 24 и после этого начинается предварительная продувка рабочей камеры К-2 также воздухом 24 при уменьшении объема рабочей камеры с вытеснением разбавленной смеси 23 в выпускное окно 21.

Вращение эксцентрикового вала 4 и ротора 2 происходит в одинаковых направлениях, которые на фиг. 1 отражены стрелками C₁ и C₂, причем эксцентриковый вал 4 вращается в два раза быстрее ротора 2 и, как видно из фиг. 1, направление вращения цилиндрической синхронизирующей втулки 7 вокруг своего неподвижного центра O₃ происходит в том же направлении, показанном стрелкой C₃, и при этом она вращается в два раза медленнее эксцентрикового вала 4, так же как и ротор 2 вокруг своего подвижного центра O₂, и это легко проследить по фиг. 1, если представить, что эксцентриковый вал с рабочей осью, проходящей через точки O₂ - O₁, повернется на 45^o от горизонтальной оси корпуса 1, то центр O₂ эксцентрика 3 совпадет с центром O₃ синхронизирующей втулки 7, а ротор 2 повернется на 22,5^o вокруг своего центра O₂ и продольная ось X-X синхронизирующего паза ротора 8 будет находиться под углом 45^o к вертикальной оси корпуса 1 и, следовательно, она будет перпендикулярна рабочей оси эксцентрикового вала 4, а из этого следует, что и синхронизирующая втулка 7 повернется на 22,5^o вокруг своего центра O₃ так же, как и ротор 2 вокруг своего центра O₂, и в этом случае ротор 2 может свободно вращаться на эксцентрике 3 в результате прекращения выполнения в этой критической точке O₃ синхронизирующей роли синхронизирующим пазом ротора с продольной осью x-x и поэтому в этот момент всю синхронизирующую функцию принимает на себя синхронизирующий паз ротора с продольной осью y-y с противоположной стороны (торца) ротора 2, которая к этому времени повернется тоже на 22,5^o и займет вертикальное положение, так как ось y-y будет проходить через центры O₃ и O₃, которые будут находиться всегда на одной вертикальной прямой, критической точкой для этого паза является точка O₄ в момент совпадения с ней центра ротора O₂, и все это подтверждает то, что предложенная система синхронизации обеспечит планетарное движение двухгранного ротора и позволяет увеличить диаметр эксцентрикового вала по сравнению даже с двигателем с планетарным движением трехгранного ротора при равной величине эксцентриситетов, так, например, выполненный в масштабе М 1:2 двигатель с двухвершинным ротором имеет диаметр эксцентрикового вала 7,2 см при величине эксцентриситета, равной E = 2 см, которую в двигателе с трехвершинным ротором можно получить при соотношении диаметров делительных окружностей синхронизирующих шестерен 8 см : 12 см = 2 : 3, а в меньшей шестерни практически можно выполнить только отверстие менее 6 см для эксцентрикового вала 4 и еще меньше это отверстие будет в двигателе с двухвершинным ротором при соотношении диаметров делительных окружностей шестерен, равным 4 см : 8 см = 1 : 2, при такой же величине эксцентриситета E = 2 см, и приведенные примеры убедительно подтверждают то, что предложенная система синхронизации позволяет выполнить эксцентриковый вал 4 большого диаметра по сравнению с известным двигателем с планетарным движением трехгранного ротора и двигателя с двухгранным ротором, совершающими планетарное движение с применением синхронизирующих шестерен и при размещении шестерни меньшего диаметра на торцевой крышке корпуса, и это позволяет достичь более высокой мощности по сравнению с последними.

На фиг. 1 показано, что в данный момент поперечная ось синхронизирующего паза ротора 8 с продольной осью x-x смещена на величину ΔS_x от поперечной оси своей синхронизирующей втулки 7 и это не позволяет ротору произвольно повернуться вокруг своего центра O₂ и еще отражено на чертеже то, что на противоположном торце ротора 2 синхронизирующий паз ротора 8 с продольной осью y-y имеет тоже смещение своей поперечной оси относительно поперечной оси своей (невидимой) синхронизирующей втулки 7 в данном случае на равную величину ΔS_y= ΔS_x, но на фиг. 1 последние не отмечены, так как они невидны, а показан только синхронизирующий паз ротора 8 с продольной осью x-x и отражено его максимальное смещение поперечной оси относительно поперечной оси синхронизирующей втулки 7 с центром O₃ в разные стороны на расстояние двух величин эксцентриситетов при свершении ротором одного оборота, т.е. на 2E, а значит величина полного перемещения синхронизирующих пазов ротора 8 относительно синхронизирующих втулок 7 равна 2S = 4E. И как видно из фиг. 1, при выходе из показанного там положения ротора 2 в рабочей камере К-1 будет происходить расширение горячих газов не до конечного увеличения ее объема, а до тех пор, пока продольная ось ротора займет промежуточное положение, при котором правая радиальная пластина ротора начнет переходить через выпускное окно 21 и из рабочей камеры К-1 будет выпущена часть возможных избыточных отработанных газов, а затем, когда правая радиальная пластина 10 пройдет через выпускное окно - 21, а другая будет проходить через камеру сгорания 19, то от турбокомпрессора воздух 24 будет поступать в продувочно-заполнительное окно 22 для окончательной прямоточной продувки рабочей камеры К-2 и продувки камеры сгорания 19, а их последней он поступает в рабочую камеру К-1, в которой он заполняет возрастающий объем и охлаждает горячие отработанные газы, разбавляя их и образуя смесь 23. Так как продувочный воздух 24 проходит через рабочую камеру К-2 с повышенным давлением, то она будет заполнена свежим воздухом с наддувом, а потом, когда радиальные уплотнительные пластины 10 перейдут через камеру сгорания 19 и продувочно-заполнительное окно 22 в рабочей камере К-2 начнется сжатие оставшегося в ней воздуха, которое закончится тогда, когда эта камера займет положение, показанное на фиг. 1 для рабочей камеры К-1, а после этого все описанные процессы в рабочих камерах повторяется, но только с изменением порядка последних. В корпусе двигателя 1 выпускное окно 21, продувочно-заполнительное окно 22 и камера сгорания выполнены так, что в рабочих камерах достигается большая степень расширения по сравнению со степенью сжатия, а ввиду того, что теоретически принятая схема двигателя обеспечивает высокую степень сжатия - до 140, а для двигателя внутреннего сгорания она требуется в пределах 6 - 20, то это позволяет выполнить компактную камеру сгорания 19 и не занимать полностью объем рабочих камер свежим зарядом при их продувке и обеспечить большую степень расширения по сравнению со степенью сжатия при качественной продувке рабочих камер, что приводит к повышению экономичности при создании двигателя большой мощности.

Роторный двигатель внутреннего сгорания имеет хорошие технико-экономические показатели. В корпусе двигателя выполнена стационарная компактная камера сгорания, что обеспечивает хорошее сгорание топлива и высокую экономичность двигателя. И в двигателе обеспечено планетарное движение двухвершинного ротора и вращения эксцентрикового вала с помощью синхронизирующих элементов, включающих синхронизирующие цилиндрические втулки, установленные в цилиндрические выемки торцевых крышек, и синхронизирующие пазы ротора, выполненным с продольными осями под углами 22,5^o от продольной оси ротора, и так как концы синхронизирующих втулок выполнены с параллельными срезами, заходящими в синхронизирующие пазы ротора и контактирующими с его параллельными стенками по площадкам, то это повышает надежность работы и долговечность двигателя и позволяет выполнить эксцентриковый вал большого диаметра и обеспечить достижение более высоких мощностей, чем они были получены в двигателе с планетарным движением трехвершинного ротора.

Формула изобретения

Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с эпитрохоидальной поверхностью, в котором вмонтирована форсунка для впрыска топлива и имеются близко расположенные друг к другу впускное и продувочно-заполнительные окна, в корпусе размещается ротор, совершающий планетарное движение, отличающийся тем, что на торцевых крышках по разные стороны от горизонтальной оси корпуса на расстоянии величины эксцентриситета от центра эксцентрикового вала выполнены цилиндрические выемки с центрами на пересечении прямых, проведенных через центр эксцентрикового вала под углами 45^o к горизонтальной оси корпуса, и прямых, проведенных из точки, эксцентричной центру корпуса, под углами 22,5^o к вертикальной оси, проходящей через эту точку, в цилиндрические выемки установлены на подшипниках синхронизирующие втулки с параллельными боковыми срезами на концах, заходящими в торцевые пазы ротора и контактирующие по площадкам с их боковыми параллельными стенками, направление которых совпадает с направлением продольных осей торцевых синхронизирующих пазов ротора, проходящими через центр ротора под углами 22,5^o к продольной оси ротора по одной на каждом торце ротора и боковые параллельные стенки синхронизирующих пазов ротора соединены между собой дугами, выполненными по радиусам, соответствующим радиусу внешней окружности цилиндрической поверхности синхронизирующих втулок и обеспечивающих относительно последних перемещение синхронизирующих пазов ротора при выполнении диаметра эксцентрикового вала большого размера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2