Способ выполнения рабочего объема двигателя (тепловой машины)

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что ротор выполняют с цилиндрической рабочей поверхностью с несимметричной направляющей кривой, которую описывают одной из крайних точек одного из звеньев (отсекателя объема) кривошипного механизма. При этом точки кривошипа описывают окружности или трохоиды с целым числом отношения радиусов неподвижной и производящей окружностей. Энергетический параметр механизма выбирают в соответствии с выражением: A(λ_i, ρ_i,...)≠2, где А - энергетический параметр механизма, а λ_i, ρ_i - относительные величины звеньев механизма, обеспечивающие несимметричность, различие ходов по углу поворота кривошипа. Причем крайние точки отсекателей объемов совмещают с точками несимметричной цилиндрической рабочей поверхности корпуса или ротора, а отсекатели перемещают возвратно-поворотно или возвратно-поступательно, одновременно используя их как одно из звеньев кривошипного механизма. 3 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, тепловых машинах для мобильного и стационарного применения, а также в насосах и гидроагрегатах.

Известен способ выполнения рабочего объема двигателя, тепловой машины, заключающийся в том, что в корпусе с эллиптическкой рабочей поверхностью, с торцовыми стенками устанавливают соосно ротор, на котором в пазах устанавливают перегородки - отсекатели изменяемых объемов (1).

Недостатками известных способов выполнения рабочего объема двигателя, тепловой машины являются: низкий термический КПД по причине отсутствия возможности изменять рабочий объем несимметрично относительно половины хода рабочего органа, а также невозможности изменять объем по степенной зависимости; низкий механический КПД, без учета трения, по причине несовмещения максимальных значений давления рабочего тела с максимальными значениями собственной механической характеристики ротора с перегородкой.

Целью настоящего изобретения является существенное увеличение КПД эффективности двигателей внутреннего сгорания, тепловых машин, при передаче энергии расширяющихся газов, термодинамических процессов на вращение выходного вала.

Поставленная цель достигается тем, что энергию термодинамических процессов или расширяющихся газов преобразуют в механическую, в рабочем объеме двигателя (тепловой машины) при наиболее оптимальном способе его выполнения. Предельно оптимальный, максимально исключающий ранее известные недостатки способ выполнения рабочего объема двигателя (тепловой машины) заключается в том, что в корпусе со специальной несимметричной рабочей поверхностью, с торцовыми стенками устанавливают соосно ротор, от которого отводят отсекатели изменяемых объемов - перегородки или в цилиндрическом корпусе устанавливают (размещают) соосно ротор со специальной несимметричной рабочей поверхностью внутри торцовых стенок и от корпуса отводят отсекатели изменяемых объемов - перегородки. Специальную несимметричную поверхность корпуса или ротора берут с цилиндрической поверхностью с несимметричной направляющей кривой, которую описывают одной из крайних точек, одного из звеньев механизма, содержащего кривошип с различным, несимметричным, ходом по углу его поворота так, что точки кривошипа в свою очередь описывают трохоиды с целым числом отношения радиусов неподвижной и производящей окружностей эпитрохоиды, гипотрохоиды или окружности, а точки направляющей кривой определяют следующими уравнениями: или где x и y - оси декартовых координат; R_o - радиус неподвижной окружности; r_o - радиус производящей окружности; ϕ - угол поворота вращения луча, проходящего через центр вращения производящей окружности от оси x, или угол поворота кривошипа;
r - длина кривошипа;
l_i - длина шатуна или звена механизма, связанного с кривошипом;
ϕ(λ_i,ρ_i...)_i - угол между осью x и шатуном или звеном, связанным с кривошипом механизма, в зависимости от параметров механизма, обеспечивающих несимметричность, различие ходов по углу поворота кривошипа;
λ_i,ρ_i... - относительные величины звеньев механизма, содержащего кривошип (параметры), обеспечивающие несимметричность, различие ходов по углу поворота кривошипа;
d_i+n - расстояние от предыдущей точки отсчета до точки направляющей кривой;
ϕ_n - угол между осью x и величиной расстояния от предыдущей точки отсчета до точки направляющей кривой,
при этом энергетический параметр механизма, содержащего кривошип, берут в соответствии с выражением:
A(λ_i,ρ_i...)≠2,
где A - энергетический параметр механизма; кроме того, соответственно, от ротора или от корпуса отводят отсекатели изменяемых объемов - перегородки, которые перемещают возвратно-поворотно или возвратно-поступательно относительно корпуса или ротора, одновременно отсекатели - перегородки берут и используют как конструктивную часть одного из звеньев данного механизма, содержащего кривошип, а крайние точки отсекателей объемов - перегородок совмещают с точками несимметричной цилиндрической рабочей поверхности корпуса или ротора.

Основой данного изобретения "Способа выполнения рабочего объема двигателя тепловой машины" являются специальные замкнутые кривые автора (2, 3), которые берут в качестве направляющих кривых цилиндрических поверхностей корпуса или ротора, а отсекатели изменяемых объемов - перегородки имеют общие точки соприкосновения с несимметричной цилиндрической поверхностью корпуса или ротора. Возвратно-поворотные или возвратно-поступательные перемещения отсекателей объемов - перегородок осуществляют любым механизмом, содержащим кривошип с различным ходом или несимметричным ходом по углу поворота кривошипа, а крайние точки перегородок являются точками цилиндрической специальной поверхности корпуса или ротора. Другими словами, направляющая кривая несимметричной цилиндрической поверхности корпуса или ротора описана одним и тем же механизмом, содержащим кривошип с несимметричным его ходом и с одним и тем же параметром или длинами звеньев механизмов, последним звеном которого является отсекатель объема - перегородка, а крайние точки этой перегородки являются одновременно точками этой же несимметричной цилиндрической поверхности корпуса или ротора. Наиболее приемлемыми механизмами, содержащими кривошип с несимметричным его ходом по углу поворота кривошипа, являются четырехзвенный кривошипно-коромысловый механизм автора (4), децентральный кривошипно-ползунный механизм, а также кривошипно-ползунный механизм с частично криволинейной направляющей и частично прямолинейной направляющей с осью направляющей (прямолинейной части), не проходящей через центр вращения кривошипа (3). Примером оптимального, с малым количеством звеньев, способа выполнения рабочего объема двигателя по работе (2) является выполнение с помощью четырехзвенного кривошипно-коромыслового механизма с энергетическим параметром, не равным двум. Примером другого способа выполнения рабочего объема двигателя по фиг.1 является - посредством кривошипно-ползунного механизма с прямолинейной направляющей, не проходящей через центр вращения кривошипа, или по фиг.2 с последующим шарнирным соединением коромысла к ползуну этого механизма, что обеспечивает возвратно-поворотные перемещения отсекателей изменяемых объемов - перегородок. Аналогичный способ выполнения рабочего объема двигателя тепловой машины проиллюстрирован в работах (2, 3, варианты II), когда точки кривошипа выполняют окружности. Возможны различные варианты обеспечения движения без скольжения одной окружности по другой, к примеру непосредственно с использованием зубчатых шестерен или на определенном расстоянии с помощью ценной или ременной передачи. На этих примерах наиболее рациональным перемещением отсекателей изменяемых объемов - перегородок получается, когда перемещают возвратно-поворотно по конструкции так, как по сравнению с возвратно-поступательным перемещением, обеспечивается минимальное трение в направляющих ползуна, как не несущих силовую нагрузку сил давления расширяющихся газов. Одновременно в первом случае имеется исключительная возможность обеспечить отсутствие трения в принципе, для стенок, образующих изменяемый рабочий объем двигателя, тепловой машины.

Точки направляющей кривой цилиндрической поверхности ротора или корпуса определяют уравнениями, вид которых зависит от конструкции и от количества звеньев механизма (2). Для способа выполнения рабочего объема двигателя, тепловой машины, с помощью кривошипно-ползунного механизма с направляющей прямой, не проходящей через центр вращения кривошипа, уравнение точек направляющей кривой цилиндрической поверхности ротора или корпуса и одновременно траектории крайних точек отсекателей объемов - перегородок имеют следующий вид:


где x и y - оси декартовых координат;
R_o - радиус неподвижной окружности;
r_o - радиус производящей окружности;
ϕ - угол поворота вращения луча, проходящего через центр вращения производящей окружности и осью х;
r - длина кривошипа;
l - длина шатуна;
ϕ(λ,ξ) - угол между осью х и шатуном;
λ - относительная величина шатуна;
ξ - относительная величина расстояния от оси направляющей ползуна до центра оси вращения кривошипа;
d - проекция на ось направляющей ползуна, расстояния от точки направляющей кривой до центра оси шарнира соединения шатуна и ползуна.

Другим примером уравнения, описывающего специальные направляющие кривые цилиндрических поверхностей ротора или корпуса, где перегородкой отсекателем объемов является коромысло с дугой траекторией одной из точек коромысла - это аналогичная часть вышеизложенных [I, II] уравнений с последними слагаемыми по работе (2).

Предлагаемый способ выполнения рабочего объема двигателя, тепловой машины обеспечивает следующие неизвестные ранее преимущества по сравнению с существующими:
1. Впервые предлагается существенно повысить термический КПД двигателей внутреннего сгорания, тепловой машины. При данном способе выполнения рабочего объема ДВС обеспечивается несимметричное, до степенной зависимости его изменение (5, 6).

2. Впервые предлагается существенно повысить механический КПД двигателей внутреннего сгорания, тепловых машин, через совмещение максимальных значений давления рабочего тела с максимальными значениями собственной механической характеристики механизма передачи на вращательное движение (7).

3. Впервые предлагается повысить КПД (механический КПД) двигателей, тепловых машин с учетом вышеизложенных преимуществ 1, 2 путем непосредственной передачи сил давления газов (вращательного момента) на выходной вал, то есть без механического "преломления".

4. Впервые предложено максимально снизить потери на трение в двигателях, тепловых машинах путем рационального перемещения границ и стенок изменяемого рабочего объема по строго определенной закономерности их перемещения, посредством неизвестных ранее механических связей (2, 3).

5. Впервые с учетом 1-4 пунктов преимуществ, приведенных выше, предложено увеличить существенно общий КПД двигателей внутреннего сгорания, тепловых машин, который становится сравнимым с электрическими машинами.

6. Предложено существенно уменьшить вес и габариты ДВС и тепловых машин за счет силовой разгрузки конструкций, выполняющих возвратно-поворотные или возвратно-поступательные перемещения, здесь они выполняют лишь вспомогательные функции.

7. Впервые в двигателях внутреннего сгорания предложено исключить шумный выброс отработанных газов. Полный отказ от системы глушения шумов отработанных газов (5).

8. Впервые появляется возможность работы двигателей внутреннего сгорания, тепловых машин без системы смазки поверхностей, образующих рабочие объемы, ввиду отсутствия трения в принципе. Этот способ выполнения рабочего объема двигателей позволяет исключить трение при соответствующей точности выполнения конструкции.

9. Впервые предлагается исключить в двигателях систему охлаждения вследствие отсутствия трения поверхностей, образующих рабочий объем, а также ввиду высокого термического КПД.

10. На основании вышеизложенных пунктов 1-9 преимуществ имеется возможность реально обеспечить высокую экологическую совместимость двигателей внутреннего сгорания и тепловых машин.

На фиг.1 схематично изображен способ выполнения рабочего объема двигателя (к примеру внутреннего сгорания), тепловой машины, где ротор берут с цилиндрической поверхностью с несимметричной направляющей специальной кривой автора, которую описывают крайней точкой С ползуна кривошипно-ползунного механизма с различным, несимметричным ходом по углу поворота кривошипа так, что точки кривошипа в свою очередь описывают эпитрохоиды с числом отношения радиусов неподвижной 0 и производящей 0 окружностей, равным двум, кроме того от корпуса отводят отсекатель ЕС изменяемых объемов DEC и D₁EC - перегородка, которые перемещают возвратно-поступательно или на фиг.2, 3 возвратно-поворотно, одновременно используют их как одно из звеньев этого кривошипно-ползунного механизма с кривошипом AO₁, шатуном AB, ползуном B, а крайние точки C отсекателей объемов - перегородки EC совмещают с точками C несимметричной цилиндрической рабочей поверхностью DCD₁ ротора (в данном случае). На фиг.1 показан ротор двигателя с несимметричной рабочей поверхностью, выполненный по специальной кривой автора, образованной нецентральным кривошипно-ползунным механизмом, где AO₁ - кривошип r, AB - шатун величиной l, неподвижная относительно ротора окружность с центром O, производящая окружность с центром O₁, EC - отсекатель изменяемых объемов DEC и D₁CE. На фиг.1-3 не показаны торцовые крышки со стороны смотрящего для простого представления сути изобретения.

Наилучший вариант выполнения изобретения.

Наилучший способ выполнения рабочего объема двигателя, тепловой машины заключается в том, что отношение радиусов неподвижной окружности и производящей окружности берут равным двум. Одновременно по фиг.2, 3 отсекателем изменяемых объемов берут коромысло с возвратно-поворотным перемещением точки C одновременно являющейся по виду с торца точкой рабочей поверхности по кривой автора для ротора (корпуса). Так же шарнирный узел K максимально приближен к цилиндрической поверхности корпуса, а дуга CK должна занимать или являться частью цилиндрической поверхности корпуса в крайнем верхнем исходном положении к примеру по дуге EK. Эта конструкция отсекателя изменяемых объемов двигателя должна быть усилена ребром жесткости при максимальном приближении к торцовым стенкам рабочего объема двигателя, тепловой машины, для обеспечения герметичности и для выполнения реактивной силовой функции подвижной стенки по дуге (вид с торца) EC, которая при точном изготовлении будет работать без трения в стенках и поверхностях, образующих этот рабочий объем. Для представления на фиг.2 показан вариант способа выполнения рабочего объема двигателя при контактном (через зубчатую передачу) перекатывании производящей окружности по неподвижной относительно ротора окружности, а на фиг.3 показан вариант способа выполнения рабочего объема двигателя при перекатывании без скольжения этих окружностей на расстоянии посредством цепной или ременной передачи.

Основные преимущества наилучшего выполнения изобретения:
1. Возможность осуществления одного полного цикла четырехтактного ДВС за один полный оборот ротора при КПД, сравнимом с КПД электрических машин.

2. Возможность переноса силовых нагрузок на коромысло обеспечивает минимальные инерционные потери, в случае выполнения отсекателя изменяемых объемов - перегородок и шатуна из легких материалов (к примеру титановых сплавов).

3. Наиболее оптимальная центрованность конструкции двигателя.

Возможность осуществления изобретения впервые представлена в работах (2, 3). На примере фиг.1-3 способ выполнения рабочего объема двигателя (тепловой машины) осуществляют следующим образом. Берут корпус или ротор со специальной рабочей поверхностью с криволинейной направляющей автора и соосно с ними устанавливают ротор или корпус с торцовыми стенками и от ротора или корпуса отводят отсекатели изменяемых объемов - перегородки, которые перемещают возвратно-поворотно или возвратно-поступательно, одновременно используют их как одно из звеньев механизма, описывающего специальные кривые, направляющие рабочей поверхности корпуса или ротора, при этом крайние точки отсекателей изменяемых объемов - перегородок совмещают с точками несимметричной цилиндрической рабочей поверхности корпуса или ротора.

Рабочий объем двигателя тепловой машины действует (работает) следующим образом по фиг.1-3: при возникновении усилий расширяющегося рабочего тела в объеме DEC сил давления газов (к примеру) на ротор двигателя тепловой машины действует вращающий момент, направленный против часовой стрелки, и выходной вал с центром в точке O вращается вместе с ротором при максимальном КПД. При направлении, показанном стрелкой, рабочий объем прямой десимметрии изменяется при показателе степени 0<m<1, при обратном вращении рабочий объем двигателя обратной десимметрии изменяется при показателе степени m>1 (5). При этом происходит осуществление работы двигателя (тепловой машины) по циклу автора. Данные способ и устройство двигателей автора являются самыми оптимальными с точки зрения как механики, так и термодинамики в целом для тепловых машин.

Предлагаемый способ выполнения рабочего объема двигателя (тепловой машины) соответствует критериям изобретения, является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применим.

Источники информации
1. Патент России 2023893, Пьянков В. И. "Роторный ДВС" по заявке 5006898/23 от 24.07.91, опубл. БИ 22, 1994 г.

2. Патент России 2163977, Яримов М.О. "Способ построения направляющей кривой цилиндрической поверхности ротора или корпуса", по заяв. 99104449/06 от 09.03.99, опубл. 10 марта 2001 г.

3. Заявка на изобретение 2001101056 от 11 января 2001 г., Яримов М.О. "Способ построения направляющей кривой цилиндрической поверхности ротора или корпуса".

4. Патент России 2043550 по заявке 5008795 от 12 ноября 1991 г., "Четырехзвенный шарнирный кривошипно-коромысловый механизм автора", Яримов М.О.

5. Патент России 2160373, Яримов М.О. "Способ работы ДВС по циклу автора", приоритет 11 января 1999 г.

6. Патент России 2135793, Яримов М.О. "Способ работы ДВС" от 06.05.1998 г.

7. Патент России 2154174, Яримов М.О. "Способ работы ДВС", от 13.05.1998 г.

Формула изобретения

Способ выполнения рабочего объема двигателя (тепловой машины), заключающийся в том, что в корпусе с торцовыми стенками устанавливают соосно ротор и перегородки-отсекатели изменяемых объемов, отличающийся тем, что ротор выполняют с цилиндрической рабочей поверхностью с несимметричной направляющей кривой, которую описывают одной из крайних точек одного из звеньев механизма, содержащего кривошип с различным несимметричным ходом по углу его поворота так, что точки кривошипа описывают трохоиды с целым числом отношения радиусов неподвижной и производящей окружностей или окружности, а энергетический параметр механизма, содержащего кривошип, выбирают в соответствии с выражением: A(λ_i, ρ_i,...)≠2, где А - энергетический параметр механизма, а λ_i, ρ_i - относительные величины звеньев механизма, обеспечивающие несимметричность, различие ходов по углу поворота кривошипа, при этом крайние точки отсекателей объемов совмещают с точками несимметричной цилиндрической рабочей поверхности корпуса или ротора, а отсекатели перемещают возвратно-поворотно или возвратно-поступательно, одновременно используя их как одно из звеньев механизма, содержащего кривошип.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3