Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства. Двигатель содержит цилиндрический корпус с выпускным окном и свечой зажигания. В корпусе установлены на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, вал отбора мощности и механизм попеременного изменения угловых скоростей поршней, выполненный в виде редуктора, состоящего из некруглых зубчатых колес с равным эксцентриситетом, промежуточный вал. В корпусе предусмотрены всасывающее воздух окно с всасывающим патрубком, выпускной канал сжатого воздуха с выпускным патрубком, канал для охлаждающей жидкости с впускным и выпускным штуцерами. За вал отбора мощности принят промежуточный вал. Поршни закреплены полуступицами, три на внутреннем и три на наружном валах, причем каждый поршень имеет с обеих сторон рабочие камеры, редуктор состоит из восьми некруглых зубчатых колес с полностью нарезанными зубьями, закрепленных по два на разгрузочных валах, два на валу отбора мощности, одно на внутреннем валу и одно за одно целое с наружным валом. Упрощается конструкция, повышается надежность, увеличивается удельная и литровая мощность, повышается полнота сгорания топлива, расширяется диапазон применения, снижается токсичность выхлопных газов и удельная масса. 10 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (патент RU 2097586, F 02 B 53/00), содержащий цилиндрический корпус с выпускным окном и свечой зажигания, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, механизм преобразования вращения ротора с промежуточным валом. Соосные валы, один из которых, внутренний, является валом отбора мощности, а другой - ступицей зубчатого колеса, установлены один в другом, при этом на валу отбора мощности закреплена центральная втулка, имеющая всасывающую полость, соединенную с всасывающим каналом крышки корпуса, и на которой жестко закреплены поршни, образующие между поршнями, закрепленными на диске, и рабочей поверхностью корпуса рабочие камеры, причем механизм преобразования вращения ротора выполнен в виде редуктора, состоящего из четырех некруглых зубчатых колес, производных от эллиптических, с равным значением эксцентриситета с промежуточным валом. Два из них, находящихся в зацеплении, выполнены неполными и имеют зубцы, нарезанные на угол расхождения поршней.

Данное техническое решение имеет ряд недостатков: - неудачно выбран вал отбора мощности, при циклическом изменении угловой скорости вращение его будет неравномерным; - не используется вторая сторона поршней; - из-за не полностью нарезанных зубьев на двух зубчатых колесах происходит неполный поворот зубчатых колес, создающих холостой ход, и неполное использование расхождения поршней; - крепление двух поршней на диске усложняет конструкцию и увеличивает трение о корпус, особенно в период расширения газов.

Решаемой задачей является упрощение конструкции, повышение надежности, увеличение удельной и литровой мощности, повышение полноты сгорания топлива, расширение диапазона применения, снижение токсичности выхлопных газов и удельной массы.

Указанная задача достигается тем, что в цилиндрическом корпусе, содержащем выпускное окно и свечу зажигания, установлены на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, вал отбора мощности и механизм попеременного изменения угловых скоростей поршней, выполненный в виде редуктора, состоящего из некруглых зубчатых колес с равным эксцентирситетом, промежуточный вал. В корпусе предусмотрены всасывающее воздух окно с всасывающем патрубком, выпускной канал сжатого воздуха с выпускным патрубком, канал для охлаждающей жидкости с впускным и выпускным штуцерами. За вал отбора мощности принят промежуточный вал. Поршни закреплены полуступицами, три - на внутреннем и три - на наружном валах, причем каждый поршень имеет с обеих сторон рабочие камеры, редуктор состоит из восьми некруглых зубчатых колес с полностью нарезанными зубьями, закрепленных по два - на разгрузочных валах, два - на валу отбора мощности, одно - на внутреннем валу и одно - за одно целое с наружным валом.

На фиг.1 показан разрез А-А на фиг.2, фиг.2 - разрез Б-Б на фиг 1, фиг.3 - разрез В-В на фиг.1, фиг.4 - разрез Г-Г на фиг.2, фиг.5 - разрез Д-Д на фиг.2, фиг. 6 - схема (увеличено) расположения зубчатых колес при максимальном крутящем моменте,
фиг. 7-10 - такты работы двигателя и соответственно им расположение зубчатых колес,
Двигатель содержит корпус 1 с выпускным окном "Н_r" отработанных газов с выпускным патрубком 2 с всасывающем окном "M_в" воздуха, очищенного через воздушный фильтр (не показано) с всасывающим патрубком 3, с выпускным каналом "Н_в" сжатого воздуха с выпускным патрубком 4 сжатого воздуха, с каналами "П_ц" для охлаждающей жидкости с впускным и выпускным штуцерами 5 и 6 и свечей зажигания 7, в котором установлен ротор, состоящий из поршней 8, 9, 10 за одно целое с полуступицей 11 и поршней 12, 13, 14 за одно целое с полуступицей 15. Каждый поршень имеет с обеих сторон рабочие камеры. Каждые три поршня своими полуступицами посредством шлицевого соединения закреплены на своем валу, а именно: поршни 8, 9 и 10 полуступицей 11 - на внутреннем валу 16, на противоположной стороне которого (в редукторной части) на шлицах закреплено зубчатое колесо 17, а поршни 12, 13 и 14 полуступицей 15 - на наружном валу 18 за одно целое с зубчатым колесом 19, вращающемся на внутреннем валу 16 в игольчатых опорах 20 и 21, которые зафиксированы с обеих сторон стопорными кольцами 22 на внутреннем валу 16, вращающемся в опорах 23 и 24, установленных, соответственно, в крышке 25 корпуса 1, на которой выполнено всасывающее окно "М_т" топливной смеси с закрепленным на ней всасывающим патрубком 26 и закрытой герметизирующей плитой 27 и в крышке 28 корпуса 29 редуктора. Промежуточный вал 30 (вал отбора мощности) установлен в опорах 31 и 32, установленных, соответственно, в корпусе 29 редуктора и в его крышке 28 с уплотняющей манжетой 33, закрытой поддерживающим кольцом 34. В редукторной части на валу 30 отбора мощности посредством шлицов закреплены зубчатые колеса 35 и 36, а вне редуктора при помощи резьбового соединения закреплен маховик 37. Разгрузочные валы 38 и 39 установлены, соответственно, в опорах 40 и 41 и 42 и 43, установленных в корпусе 29 редуктора и в его крышке 28, закрытых крышками 44 и 45 опор с уплотняющими манжетами 46 и 47. На разгрузочных валах 38 и 39 в их редукторной части посредством шлицов закреплены зубчатые колеса 48, 49, 50 и 51.

Опора 32 вала 30 отбора мощности, опоры 40 и 42 разгрузочных валов 38 и 39 и опоры 23 и 24 внутреннего вала 16 зафиксированы одинаковыми стопорными кольцами 52. В корпусе 29 редуктора предусмотрено сливное отверстие со сливной пробкой 53.

Двигатель работает следующим образом. Три поршня 8, 9 и 10 и три поршня 12, 13 и 14 своими полуступицами 11 и 15 вращаются каждая на своем валу с попеременно изменяющимися угловыми скоростями. Механизм попеременного изменения угловых скоростей поршней выполнен в виде редуктора, состоящего из 8 некруглых зубчатых колес 17, 19, 35, 36, 48, 49, 50 и 51 с полностью нарезанными зубьями. Все зубчатые колеса имеют равный эксцентриситет и представляют из себя форму трилистника, у которого период изменения передаточного отношения равен трем (С.В. Кожевников и др. Механизмы. Справочное пособие. С. 158, рис. 3.28). Зубчатые колеса 35 и 36 с валом 30 отбора мощности скреплены шлицевым соединением и являются как одно целое, следовательно, при вращении его их угловые скорости равны. Вращением вала 30 отбора мощности смыкаем поршни 8, 9 и 10 с поршнями 12, 13 и 14, производя всасывание топливной смеси, ее сжатие и воспламенение от свечи 7 зажигания между поршнями 8 и 12, продувку между поршнями 9 и 13, всасывание воздуха (через воздушный фильтр), его сжатие и выпуск сжатого воздуха между поршнями 10 и 14. С сомкнутыми поршнями вся система должна быть расположена, как показано на фиг.3 - все зубчатые колеса своими осями параллельно друг другу с противоположно направленными большими осями, а в контактном зацеплении все радиусы должны быть равны (r₁=r₂=r₃=r₄). Это положение соответствует верхней и нижней мертвым точкам в кривошипно-шатунном механизме современного (классического) двигателя внутреннего сгорания. При воспламенении топливной смеси газы, расширяясь, давят на рабочие поверхности поршней с одинаковым усилием, но в силу принятой кинематической связи и полученного махового и инерционного моментов (как в верхней мертвой точке классического ДВС) поршни 12, 13 и 14 становятся как бы ведущими, начнут быстро уходить от поршней 8, 9 и 10, одновременно увлекая их за собой, заставляя до заданного момента все время отставать. Это положение показано на фиг.8. В этом положении вал 30 отбора мощности (в том числе и разгрузочные валы 38 и 39 через свои зубчатые колеса 48 и 49, 50 и 51) получает максимальный крутящий момент. Чтобы найти его численное выражение, необходимо определить приведенный радиус действия. Как ранее было сказано, что каждые три поршня закреплены на своем валу и со своим зубчатым колесом, следовательно, при давлении расширяющихся газов на их рабочие поверхности они действуют на свой вал и свое зубчатое колесо. Из фиг. 6 видно, что этим приведенным радиусом будет разность между действиями частных передаточных отношений, т.е. r₄/r₃-r₁/r₂ тогда максимальный крутящий момент будет

где М_max - максимальный крутящий момент, кгс•см;
P_i - давление газов, кгс/•см²;
F - рабочая площадь поршня, см²;
R - средний радиус вращения поршней, см;
r₂, r₃, r₃, r₄ - радиусы зубчатых колес в контактном зацеплении.

Как видно из фиг.8, между поршнями 8 и 12 идет расширение газов воспламенившейся топливной смеси, а между поршнями 10 и 14 - всасывание новой порции топливной смеси, между поршнями 9 и 12 - начало выброса отработанных газов, между поршнями 9 и 13 - всасывание воздуха, а между поршнями 10 и 13 - сжатие воздуха. Дальнейшее расширение газов и созданный ими крутящий, инерционный и маховый моменты вращают поршневую систему до полного смыкания поршней. Это положение показано на фиг.9.

Как видно из фиг.9, ведущими становятся поршни 8, 9 и 10 внутреннего вала 16. При воспламенении топливной смеси все термодинамические процессы повторяются. Это положение показано на фиг.10. Здесь расширение идет уже между поршнями 14 и 8, всасывание топливной смеси - между поршнями 13 и 10, между поршнями 8 и 12 - начало выпуска отработанных газов, всасывание воздуха - между поршнями 12 и 9 и сжатие воздуха - между поршнями 13 и 9.

В дальнейшем поршни, меняясь местами и сторонами, придя в исходное положение, т.е. в положение фиг.7, произведут, одновременно, шесть полных циклов, работая как двигатель, и шесть полных циклов, работая как компрессор.

Предлагаемый двигатель можно классифицировать как двигатель двойного действия с качающе-вращающимися поршнями и бесклапанной системой газораспределения, имеющий по одному впускному и выпускному окну большого сечения для 4-тактного 6-поршневого исполнения, и требует только одно устройство для впрыска или зажигания топливной смеси.

Такая схема, с механизмом привода в виде двух, трех и четырех пар некруглых зубчатых колес, имеет неоспоримые преимущества перед всеми традиционными ДВС. Циклы сжатия и сгорания осуществляются в разных местах корпуса, что исключает паразитный нагрев сжимаемого заряда, что способствует увеличению его сжатия. Поверхность поршней имеет гарантированный зазор с поверхностью цилиндра и может быть снабжен уплотнением по типу РПД Ванкеля из одного ряда плоских металлических или керамических пластин, поджатых пружинными эспандерами. Требования к такому уплотнению гораздо ниже, так как оно размещено не на вершинах ротора, а на развитой поверхности поршней. В дальнейшем при подборе зазоров и применении материалов с минимальным изменением этих зазоров и применении традиционных, применяемых в авиации, лабиринтных, сотовых уплотнений и талькирования можно будет исключить необходимость в контактных уплотнениях. Прорыв газов, губительный для традиционных ДВС, здесь может быть полезен, препятствуя попаданию топлива в малые зазоры смежной камеры и имитируя форкамеру и подвпрыск, улучшить сгорание и уменьшить эмиссию вредных веществ. Резкое изменение геометрии камеры на второй фазе сгорания, плюс центробежная сила, должны улучшить перемешивание и расслоение газов, а также способствовать доокислению продуктов сгорания. Малое количество деталей и соединений упрощает технологию изготовления и его сборки. Двигатель имеет рекордно малые габариты и массу. Удельная масса может быть в пределах 0,25-0,35 кгс/л.с.

Конструкция поршней и один впускной канал позволяют осуществлять любой из ранее разработанных типов рабочих процессов и представляют дополнительные возможности для их совершенствования и управления смешением и сгоранием. Легко осуществляется управление фазами, впрыском, закруткой потока, т.к. эти устройства на двигатель любой вообразимой мощности требуются в одном экземпляре и совершенно не стеснены в габаритах и компоновке.

Традиционная для многоцилиндровых двигателей неравномерность наполнения, возникающее наложение фаз газораспределения здесь совершенно исключаются.

Схема трехпарного поршневого исполнения позволяет получить в одном корпусе шестицилиндровый двигатель, где четыре цилиндра работают как двигатель и два - как компрессор, что в грузовом транспорте исключает необходимость отдельного агрегата - компрессора.

Особенности компоновки предлагаемого двигателя создают предпосылки для создания двигателя с турбокомпрессором и силовой турбиной для получения сверхвысоких удельных мощностей, открывая большие возможности в автотранспорте, энергомашиностроении, тепловозо- и судостроении, авиации.

Формула изобретения

Роторно-поршневой двигатель, содержащий цилиндрический корпус с выпускным окном и свечой зажигания, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, вал отбора мощности и механизм попеременного изменения угловых скоростей поршней, выполненный в виде редуктора, состоящего из некруглых зубчатых колес с равным эксцентриситетом, промежуточный вал, отличающийся тем, что в корпусе дополнительно предусмотрены всасывающее воздух окно с всасывающим патрубком, выпускной канал сжатого воздуха с выпускным патрубком, канал для охлаждающей жидкости с впускным и выпускным штуцерами, за вал отбора мощности принят промежуточный вал, поршни закреплены полуступицами, три на внутреннем и три на наружном валах, причем каждый поршень имеет с обеих сторон рабочие камеры, редуктор состоит из восьми некруглых зубчатых колес с полностью нарезанными зубьями, закрепленных по два на разгрузочных валах, два на валу отбора мощности, одно на внутреннем валу и одно за одно целое с наружным валом.

РИСУНКИ

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