Роторно-поршневой двигатель
Изобретение может относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение КПД двигателя и его эксплуатационных характеристик. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр, внутрь которого вставлен ротор с элементами уплотнения, насосы высокого давления, устройство преобразования качательного движения во вращательное движение выходного вала. Круглый корпус с рубашкой охлаждения выполнен с двумя внутренними треугольными выступами, расположенными на одной линии диаметра по разные стороны оси вращения. Вершины выступов направлены к центру вращения и имеют сферическую поверхность, которая является опорой ротора, втулка которого соединена с вершинами поршней, имеющих сферическое основание. Ротор делит внутреннюю полость цилиндра на две симметричных полости и соединен с валом, который приводит четыре насоса высокого давления, а также выходной вал посредством преобразователя. Механизм регулирования частоты вращения выходного вала связан с механизмом изменения количества подаваемого топлива. Двигатель снабжен турбонагнетателем. 21 ил.
Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя внутреннего сгорания.
Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля, содержащий поршень треугольной формы с закругленными сторонами и имеющий внутреннее зубчатое колесо, которое обкатывается по зубьям неподвижной шестерни. Передаточное отношение неподвижной шестерни и зубчатого колеса поршня 2:3. Поршень вставлен в цилиндр, имеющий впускные и выпускные окна, внутренняя поверхность которого выполнена по эпитрохойде.
(Политехнический словарь, гл. ред. акад. А.Ю.Ишлинский, Советская энциклопедия, М., 1980, с.71).
Недостатками известного двигателя Ванкеля являются: высокая сложность изготовления цилиндра и поршня, небольшая степень сжатия.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.
Известен также роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус, ротор, вставленный внутрь корпуса, преобразователь качательного движения во вращательное, кинематически связанный с ротором, пусковое устройство, механизм управления двигателем, при этом круглый цилиндрический корпус с рубашкой охлаждения выполнен с двумя внутренними треугольными выступами, расположенными на одной линии диаметра по разные стороны от оси вращения, вершины которых направлены к центру вращения и имеют поверхность, которая является опорой ротора, вставленного внутрь корпуса и делящего последний на две симметрично расположенные полости, выполненные в форме полукруглых сегментов, по краям которых установлены форсунки, причем ротор содержит втулку, закрепленную на валу, концы которого пропущены в отверстия крышек корпуса, которая выполнена заодно с вершинами двух треугольных поршней, имеющих элементы уплотнения и расположенных симметрично на одной линии диаметра, причем насосы высокого давления кинематически связаны с валом двигателя и подключены к напорной и сливной магистралям, а выпускной штуцер каждого из них соединен с соответствующей форсункой, кроме того, входное звено преобразователя качательного движения во вращательное кинематически связано с валом двигателя, а выходное звено соединено с выходным валом двигателя и валом привода вспомогательных механизмов.
(Международная заявка WO 03/093650, МПК F 01 C 9/00, опубл. 13.11.2003).
Известный роторно-поршневой двигатель по заявке WO 03/093650, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.
Недостатками известного роторно-поршневого двигателя по заявке WO 03/093650, принятого за прототип, являются: низкий КПД, недостаточная мощность.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.
Целью настоящего изобретения является повышение КПД двигателя и его эксплуатационных характеристик.
Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что насосы высокого давления, преобразователь качательного движения во вращательное, пусковое устройство заменены насосами высокого давления, каждый из которых содержит главный цилиндр, имеющий впускной и выпускной штуцеры с впускным и выпускным клапанами, внутрь которого вставлен поршень, имеющий зубчатую рейку, входящую в зацепление с зубчатым сектором вала двигателя, причем в нижней части главного цилиндра выполнен заодно с ним управляющий цилиндр, имеющий выпускной штуцер, так, что внутренние полости обоих цилиндров представляют собой одно целое, а внутрь управляющего цилиндра вставлен поршень с перепускным отверстием и зубчатой рейкой, входящей в зацепление с шестерней, связанной с механизмом регулирования подачи топлива, механизмом преобразования качательного движения во вращательное, содержащим ведущую шестерню, закрепленную на валу двигателя и входящую в зацепление с двумя шестернями, насаженными на муфты свободного хода противоположного вращения, закрепленные на промежуточных валах, на вторых концах которых установлены две шестерни, одна из которых входит в зацепление с наружным зубчатым венцом, а другая входит в зацепление с внутренним зубчатым венцом маховика, установленного на выходном валу двигателя, причем наружный венец маховика входит в зацепление с шестерней привода вспомогательных механизмов, пусковым устройством, содержащим втулку, надеваемую на палец, установленный на передней крышке двигателя, с приваренным к ней зубчатым сектором, к которому прикреплена ручка.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид роторно-поршневого двигателя, на фигуре 2 - вид спереди на роторно-поршневой двигатель, на фигуре 3 - принципиальная схема роторно-поршневого двигателя, на фигуре 4 - кинематическая схема роторно-лопастного двигателя, на фигуре 5 - разрез по А-А фигуры 4, на фигуре 6 - разрез по Б-Б фигуры 4, на фигуре 7 - схема привода насосов высокого давления, на фигуре 8 - вид сверху на привод насосов высокого давления, на фигуре 9 - устройство насоса высокого давления, на фигуре 10 - общий вид ротора роторно-поршневого двигателя, на фигуре 11 - вид слева на ротор роторно-поршневого двигателя, на фигуре 12 - вид справа на ротор роторно-поршневого двигателя, на фигуре 13 - вид сверху на ротор роторно-поршневого двигателя, на фигуре 14 - общий вид корпуса роторно-поршневого двигателя, на фигуре 15 - схема уплотнительного элемента ротора роторно-поршневого двигателя, на фигуре 16 - схема системы питания роторно-поршневого двигателя, на фигуре 17 - общий вид пускового устройства роторно-поршневого двигателя, на фигуре 18 - вид справа на пусковое устройство роторно-поршневого двигателя, на фигуре 19 - схема запуска роторно-поршневого двигателя при помощи пускового устройства, на фигурах 20 и 21 - схема принципа действия роторно-поршневого двигателя.
Роторно-поршневой двигатель 1 с воспламенением от сжатия содержит корпус 2 с рубашкой охлаждения 3, выполненный с двумя внутренними треугольными выступами 4, 5, расположенными на одной линии диаметра по разные сторона от оси вращения. Вершины выступов имеют сферическую поверхность, направлены к центру вращения и являются опорой ротору. Корпус закрыт передней 6 и задней 7 крышками. На боковой поверхности корпуса имеются впускные патрубки 8, 9, соединенные посредством трубопровода 10 с нагнетающей частью 11 турбонагнетателя 12, а последняя соединена с воздушным фильтром 13. На задней крышке выполнено два выпускных окна 14, 15, которые посредством трубопровода 16 соединены с вытяжной частью 17 турбонагнетателя, к которому прикреплен выпускной коллектор 18. Внутрь корпуса вставлен ротор, содержащий втулку 19, соединенную с поршнями 20, 21, имеющими сферическое основание, элементы уплотнения 22, 23 и 24, 25, 26, 27, удерживаемые пружинами 28. Поршни прикреплены своими вершинами к втулке и расположены симметрично на одной линии диаметра. Ротор делит внутреннюю полость корпуса на две симметрично расположенные относительно друг друга полости, выполненные в форме полукруглого сегмента и имеющие по краям форсунки 29, 30, 31, 32. Ротор закреплен на валу 35, концы которого пропущены в отверстия крышек. На переднем конце вала двигателя закреплена пусковая шестерня 34, а на передней крышке имеется палец 35 для установки пускового устройства. Левая 36 и правая 37 полости корпуса имеют окна 38, 39 для впуска воздуха. В средней части заднего конца вала двигателя закреплены четыре зубчатых сектора 40, 41, 42, 43, использующиеся для привода насосов высокого давления 44, 45, 46, 47. Все насосы высокого давления одинаковы по конструкции и каждый из них содержит главный цилиндр 48, имеющий в нижней части выпускной штуцер 49 с выпускным клапаном 50 и впускной штуцер 51 с впускным клапаном 52. Внутрь главного цилиндра вставлен поршень 53, имеющий зубчатую рейку 54, входящую в зацепление с одним из зубчатых секторов вала двигателя. В нижней части главного цилиндра выполнен заодно с первым управляющий цилиндр 55, внутренняя полость которого соединена с внутренней полостью главного цилиндра. В боковой части управляющий цилиндр имеет выпускной штуцер 56. Внутрь управляющего цилиндра вставлен поршень 57, имеющий перепускной канал 58 и зубчатую рейку 59, входящую в зацепление с зубчатой шестерней 60, имеющей рычаг 61, который связан с механизмом регулирования подачи топлива (на чертежах не показано). Выпускной штуцер каждого главного цилиндра посредством трубопровода соединен с соответствующей форсункой. Впускной штуцер каждого главного цилиндра посредством трубопроводов подключен к напорной магистрали и через топливный насос 62 соединен с топливным баком 63. Выпускной штуцер каждого управляющего цилиндра соединен со сливной магистралью и подключен к топливному баку. В задней части роторно-поршневого двигателя расположен преобразователь качательного движения во вращательное 64. Он содержит корпус 65, внутри которого на подшипнике установлен задний конец вала двигателя, на котором закреплена ведущая шестерня 66, входящая в зацепление с шестернями 67, 68, установленными на муфтах свободного хода 69, 70, которые закреплены на передних концах промежуточных валов 71, 72, которые закреплены в подшипниках корпуса. На задних концах промежуточных валов закреплены шестерни 73, 74, первая из которых входит в зацепление с внутренним зубчатым венцом маховика 75, а вторая шестерня входит в зацепление с наружным зубчатым венцом маховика, закрепленного на выходном валу 76 двигателя. Кроме того, в верхней части корпуса установлен вал 77 привода вспомогательных механизмов (насосов, вентилятора, турбонагнетателя и т.д.), помещенный в трубу 78, на заднем конце которого закреплена шестерня 79, входящая в зацепление с наружным зубчатым венцом маховика, а на переднем конце закреплен соединительный фланец 80. Пусковое устройство роторно-поршневого двигателя содержит зубчатый сектор 81, имеющий в нижней части втулку 82, к которому приварена ручка 83. На шестерне запуска нанесены метки 84, совпадающие с линией диаметра ротора и указывающие его положение в корпусе.
Работа роторно-поршневого двигателя.
Для запуска роторно-поршневого двигателя необходимо установить необходимую величину подачи топлива. Взять пусковое устройство и надеть его втулку 82 на палец 35, установив ручку 83 параллельно меткам 84 шестерни запуска 34. После чего взвести зубчатый сектор 81 в зацепление с шестерней запуска 34 и повернуть ручку 83 до положения, показанного пунктиром на фигуре 19. Если двигатель не запустился, то ручку 83 нужно повернуть несколько раз в ту и другую стороны. После запуска двигателя путем установления необходимой подачи топлива получить нужную частоту вращения выходного вала 76. При этом роторно-поршневой двигатель работает следующим образом. На фигуре 20 показано, что левый поршень 21 находится в крайнем нижнем положении в полости 35, а правый поршень 20 находится в крайнем верхнем положении в полости 36. Впускные окна 38, 39 и выпускные окна 14, 15 в обеих полостях открыты. Воздушный нагнетатель 11 подает очищенный воздушным фильтром 15 воздух в обе полости корпуса 2, а вытяжное устройство 17 удаляет отработанные газы из обеих полостей. В это же время топливо насосами высокого давления 44, 46 через форсунки 29, 31 подано в полости 35, 36, перемешано с имеющимся там воздухом и смесь сжата поршнями 20, 21 до максимальной величины. Получившаяся при этом высокая температура воспламеняет горючую смесь и под действием образовавшихся газов поршни 20, 21 начинают совершать рабочий ход, двигаясь в направлении, показанном стрелками. Как только края поршней 20, 21 достигнут положения, показанного на фигуре 21 пунктирной линией, выпускные окна 14, 15 закрываются, а впускные окна 38, 39 еще открыты и под давлением чистый воздух продолжает поступать в полости 35, 36. При дальнейшем перемещении края поршней достигают положения, показанного двумя пунктирными линиями, впускные окна 38, 39 также закрываются и начинается сжатие воздуха, а при достижении поршнями положения, показанного точкой и тире, начинается подача насосами высокого давления 45, 47 через форсунки 30, 32 топлива и продолжается сжатие горючей смеси. Как только температура и сжатие достигнут максимальной величины, топливо воспламеняется и поршни 20, 21 под действием образовавшихся газов начинают совершать рабочий ход, двигаясь в противоположном направлении. При этом выпускные и впускные окна открыты и происходит удаление отработанных ранее газов. Как и было описано выше, достигая положений, обозначенных пунктирной, двумя пунктирными линиями, происходит закрытие выпускных и впускных окон, а при достижении линии, обозначенной точкой и тире, начинается подача топлива и продолжается сжатие горючей смеси. После достижения поршнями положения, показанного на фигуре 20, происходит воспламенение горючей смеси и все начинается сначала. Если на фигуре 20 за первую форсунку принять форсунку 29 и далее считать по часовой стрелке, то порядок работы роторно-поршневого двигателя будет 1,3-2,4 и через 90 градусов поворота вала двигателя 33 будет происходить два рабочих хода. Качаясь в ту и в другую сторону, вал 33 заставляет двигаться туда же и ведущую шестерню 66, которая поворачивает также в обе стороны шестерни 67, 68, а они через муфты свободного хода 69, 70 вращают в противоположные стороны промежуточные валы 71, 72, а вместе с ними и шестерни 73, 74, которые заставляют маховик 75 совершать вращательное движение в одну и ту же сторону и приводить во вращательное движение выходной вал 76. Частота вращения выходного вала и частота качательных движений поршней зависит от количества подаваемого топлива насосами высокого давления. Регулирование подачи топлива происходит следующим образом. Топливным насосом 62 топливо подается из топливного бака 63 через впускной клапан 52 внутрь главного цилиндра 48 при движении поршня 53 вправо (режим всасывания). В режиме нагнетания поршень 53 движется влево (фиг.9) и через перепускной канал 58 в поршне 57 выталкивает топливо через выпускной штуцер 56 в топливный бак 63. Как только поршень 53 перекроет перепускной канал 58, выпускной клапан 50 открывается и оставшееся в главном цилиндре 48 топливо впрыскивается через соответствующую форсунку в полость корпуса двигателя. Передвигая поршень 57 с перепускным каналом 58 посредством рычага 61 и шестерни 60 в ту или иную сторону, можно изменять количество остающегося после перекрытия перепускного канала 58 в полости главного цилиндра 48 топлива и, следовательно, количество топлива, подаваемого в полости 35, 36 корпуса 2 двигателя. Для остановки двигателя подачу топлива прекращают, передвигая поршень 57 влево до отказа.
Роторно-поршневой двигатель может быть использован на судах, передвижных электростанциях и т.д.
Положительный эффект: более высокий КПД, меньший расход топлива, более высокая мощность на выходном валу.
Роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус, ротор, вставленный внутрь корпуса, преобразователь качательного движения во вращательное, кинематически связанный с ротором, пусковое устройство, механизм управления двигателем, при этом круглый цилиндрический корпус с рубашкой охлаждения выполнен с двумя внутренними треугольными выступами, расположенными на одной линии диаметра по разные стороны от оси вращения, вершины которых направлены к центру вращения и имеют поверхность, которая является опорой ротора, вставленного внутрь корпуса и делящего последний на две симметрично расположенные полости, выполненные в форме полукруглых сегментов, по краям которых установлены форсунки, причем ротор содержит втулку, закрепленную на валу, концы которого пропущены в отверстия крышек корпуса, которая выполнена заодно с вершинами двух треугольных поршней, имеющих элементы уплотнения и расположенных симметрично на одной линии диаметра, причем насосы высокого давления кинематически связаны с валом двигателя и подключены к напорной и сливной магистралям, а выпускной штуцер каждого из них соединен с соответствующей форсункой, кроме того, входное звено преобразователя качательного движения во вращательное кинематически связано с валом двигателя, а выходное звено соединено с выходным валом двигателя и валом привода вспомогательных механизмов, отличающийся тем, что каждый насос высокого давления содержит главный цилиндр, имеющий впускной и выпускной штуцеры с впускным и выпускным клапанами, внутрь которого вставлен поршень, имеющий зубчатую рейку, входящую в зацепление с зубчатым сектором вала двигателя, причем в нижней части главного цилиндра выполнен заодно с ним управляющий цилиндр, имеющий выпускной штуцер, так что внутренние полости обоих цилиндров представляют собой одно целое, а внутрь управляющего цилиндра вставлен поршень с перепускным отверстием и зубчатой рейкой, входящей в зацепление с шестерней, связанной с механизмом регулирования подачи топлива, кроме того, механизм преобразования качательного движения во вращательное содержит ведущую шестерню, закрепленную на валу двигателя и входящую в зацепление с двумя шестернями, насаженными на муфты свободного хода противоположного вращения, закрепленными на промежуточных валах, на вторых концах которых установлены две шестерни, одна из которых входит в зацепление с наружным зубчатым венцом, а другая входит в зацепление с внутренним зубчатым венцом маховика, установленного на выходном валу двигателя, причем наружный венец маховика входит в зацепление с шестерней привода вспомогательных механизмов, кроме того, пусковое устройство представляет собой втулку, надеваемую на палец, установленный на передней крышке двигателя, с приваренным к ней зубчатым сектором, к которому прикреплена ручка.
