Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с расположением поршней параллельно оси вращения ротора
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к аксиальным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит неподвижный статор, ротор с цилиндрами, оси которых параллельны оси вращения ротора, поршни с элементами качения и механизм. Согласно изобретению механизм выполнен шаровым с упругим элементом между свободно вращающимися шарами, расположенными в упорных пробках. При этом по шарам обкатываются контактирующие с ними элементы качения поршней, давая им возможность совершать возвратно-поступательные движения, а двигатель снабжен электрическим стартерно-двигательным генерирующим устройством, расположенным непосредственно на роторе и статоре двигателя. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к аксиальным двигателям внутреннего сгорания.
Известные двигатели внутреннего сгорания имеют большой вес на единицу мощности и соответственно большую металлоемкость при изготовлении, малый корпус и сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления, не универсальны в применении, не имеют возможность реверса, модульности /соединения двигателей в цепь для получения большей мощности/, не трансформируют крутящий момент /требуют дополнительного редуктора/, не имеют возможности рекуперировать энергию без перемещения поршней. Из-за больших инерционных нагрузок скорость вращения на выходном валу ограничена. У роторных двигателей Ванкеля не решается проблема уплотнения газового стыка и повышенного расхода масла, но данный двигатель имеет высокий КПД за счет того, что топливо сгорает в закрытом объеме /замкнутом пространстве/. У роторно-поршневых ДВС с аксиальным расположением поршней главным недостатком является выкрашивание рабочих поверхностей криволинейных направляющих. Газовые турбины имеют малый вес на единицу мощности, но меньший КПД и поэтому больший расход топлива на единицу мощности (патент США №3687117, опубл. 20.08.1972).
Прототипом предлагаемого ДВС выбран роторно-поршневой двигатель с аксиальным расположением поршней по патенту РФ №2018002, опубл. 15.08.1994 г. В данном двигателе поршни перемещаются параллельно оси вращения ротора. Он имеет неподвижный корпус с криволинейной направляющей, ротор с цилиндрами, поршни с элементами качения, контактирующие с направляющей. С целью повышения надежности двигатель дополнительно снабжен двуплечими коромыслами, связывающими попарно поршни. Причем оси коромысел подпружинены и связаны с рычагом управления. Элементы качения выполнены в виде роликов, установленных на пальцах поршней, а криволинейная направляющая выполнена синусоидальной формы. Критикуя прототип, необходимо отметить
1. Мнение экспертов сошлось на том, что надежность ДВС с синусоидальной направляющей будет уступать существующим поршневым и роторным ДВС.
2. Ресурс такого двигателя недостаточно высок из-за того, что ударные нагрузки рабочего хода разрушают коромысла, имеющие зазоры, что приведет к перекосу поршней, повышенному трению и отсутствию плавности хода.
3. Ролики на пальцах поршней упираются в направляющую поверхность в нижней мертвой точке и это значительно снижает мощность и увеличивает расход топлива. Направляющая будет нагреваться и быстро изнашиваться из-за наклепа.
4. По причинам, указанным в пунктах 2, 3, скорость вращения будет ограничена.
5. Изготовление синусоидальной поверхности повышенной твердости нетехнологично и на современных заводах невозможно из-за отсутствия на них специального оборудования и материалов.
6. На автомобилях с пневматической тормозной системой отключение ДВС от трансмиссии опасно при движении по скользкой дороге.
7. Накат используется не полностью. Энергия наката уходит на нагревание накладок тормозных колодок и истирание барабанов или дисков тормоза.
8. Длина поршней мала и поэтому боковые нагрузки увеличат износ поршней и приведут к задирам зеркала цилиндров.
9. Относительно высокая масса /по сравнению с турбиной/ вращающегося ротора имеет высокий момент инерции, и если от этого невозможно избавиться, необходимо использовать это для рекуперации энергии вращения.
10. Ремонтопригодность двигателя с синусоидальной направляющей низка. Износ направляющей означает выбраковку двигателя в целом.
Целью изобретения является повышение надежности, улучшение технологичности, экономичности, ремонтопригодности, сохраняя положительные качества - модульность, реверсивность, малый вес, значительно улучшая рекуперативность вращательного движения и способность трансформировать крутящий момент при безопасной эксплуатации.
Сущность изобретения: в статоре установлен шаровой механизм с пластинчатыми пружинами между шарами, а также ротор с цилиндрами, в которых расположены поршни с роликами, контактирующими с шарами, поршневые шестерни, обеспечивающие взаимно противоположное перемещение поршней в паре. Корпуса шестерен подпружинены. Статор и ротор связаны дополнительно магнитным полем, вырабатываемым электрическим стартерно-двигательным генерирующим устройством.
ДВС может применяться как энергетическая установка на транспортных средствах /автомобиль, самолет, мотоцикл и т.д./, а также на стационарных установках /дизельные электростанции, водоподающие установки и т.п./. Конструкцию ДВС, позволяющую расположить его внутри колеса, можно рассматривать как концептуальную, особенно в многоприводных транспортных средствах.
Техническим результатом является улучшение показателей качества: компактности, материалоемкости, надежности, технологичности изготовления и эксплуатации /ремонтопригодность/, универсальности /реверсивность, рекуперативность, модульность/, экономичности при безопасной эксплуатации.
Наличие шарового механизма позволяет коротко называть данный двигатель шаровым двигателем внутреннего сгорания /ШДВС/.
ШДВС /фиг.1/ состоит из ротора 1, в передней /левой/ части которого установлена стопорная пружина 2, расположено кольцо 3 и сальник 4, обеспечивающие фиксацию ротора от осевого перемещения и уплотнение стыка между ротором 1 и статором 5.
В роторе выполнено внутреннее наклонное отверстие для установки свечи 6 и клапана декомпрессии. Аналогично поршневому двигателю поршневой палец 7 установлен в поршне 8. На пальце 7 располагается рабочее колесо (ролик) 9, которое периодически находится в контакте с шаром статора 10. Прокладка 11 крышки 12 обеспечивает герметичность по периметру статора в задней /правой/ части. Распорное колесо 13, подшипник, шайба 14 и стопорное кольцо обеспечивают фиксацию ротора от осевого перемещения в задней части. Крышка 12 крепится к статору резьбовым соединением 16, 17.
Фиг.2 - поршни 8 через поршневые зубчатые рейки 18 попарно последовательно по кругу соединены поршневыми шестернями 19, перекатывающимися по осям 20, установленными в корпусе 21. Для газораспределения имеются продувочные окна ротора 22, впускные и выпускные окна статора 23. Для выработки и рекуперации электроэнергии при торможении и раскрутке ротора предусмотрены насадка 24 и вставка 25 стартерно-двигательного генерирующего устройства /ЭСДГУ/.
Фиг.3 - шаровые опоры 10 имеют возможность свободно вращаться за счет сферических углублений в статоре 5 и упорной пробке 27, регулирующей затяжку шара. Пружина 26 отбрасывает ролик 9, выводит поршневую группу из нижней мертвой точки, исключая удар по шару из состояния упора.
Фиг.4 - поршневая шестерня 19 устанавливается в корпусе 29 поршневой шестерни, который упирается в пружину 28 корпуса поршневой шестерни.
Фиг.5 - насадка ЭСДГУ 24 устанавливается на ротор ШДВС и состоит из полюсных наконечников 32, 33, выполненных в виде клювиков с обмоткой насадки 34. Вставка ЭСДГУ 25 запрессовывается в статор ШДВС напротив насадки и состоит из сердечника 30, выполненного из трансформаторной стали, и обмотки сердечника вставки ЭСДГУ 31.
Для обеспечения свободного наката рекуперативного вращения служит ось поршневой шестерни 20, которая подпружинена пружиной 28 через корпус 29 поршневой шестерни. Подпружинивание имеет двойное назначение: во-первых, пружина удерживает оба рабочих колеса 9 в постоянном контакте с шаровой рабочей поверхностью статора 10, компенсируя зазор от износа и теплового расширения, во-вторых, является возвратной для механизма, обеспечивающего через выжимной подшипник отключение поршней от направляющей.
Двигатель выполнен на подшипниках скольжения 13 (фиг.1), затяжка которых регулируется снятием и постановкой регулировочных пластин 11 (фиг.1). Герметичность внутренней полости от утечки масла обеспечивается сальниками 4 и 14. Герметичность ротора по периметру достигается плотной посадкой ротора в статор, маслосгонной резьбой на роторе, а также сальниковыми уплотнениями на статоре.
Поршневая шестерня 19 обеспечивает движение поршня на такте впуска, а также для смягчения ударной нагрузки при такте рабочий ход, передавая частично нагрузку на поршень противоположного зуба и на пружину корпуса поршневой шестерни 28 (фиг.4).
Смазка всех деталей производится окунанием в масляную ванну, а также разбрызгиванием. Двигатель может быть как дизельным с внутренним смесеобразованием, так и карбюраторным с внешним смесеобразованием. Причем в последнем случае запальная свеча 6 (фиг.1) располагается внутри ротора.
Охлаждение воздушное или жидкостное в зависимости от условий эксплуатации.
Реверс производится изменением опережения зажигания или впрыска, а также при управлении компьютером переключением полярности в ЭСДГУ.
Модульность - соединение нескольких двигателей последовательно. Модульность необходима для варьирования мощности в зависимости от условий эксплуатации.
Осуществление изобретения
В статическом состоянии конструкция в целом выглядит следующим образом.
Используя ее компактность ШДВС, можно установить либо в подвеске /фиг.6/, либо прямо в колесе 3 /фиг.7/ транспортного средства. На фигуре 7 статор установлен на оси ступицы автомобиля. Внутри статора установлен ротор с поршнями, пальцами и имеющими возможность вращаться вокруг пальцев рабочими колесами. Ротор также имеет возможность вращаться в статоре, обкатывая рабочими колесами шаровые опоры. Обкатывая шаровые опоры, рабочие колеса через поршневой палец дают возможность поршню перемещаться, совершая возвратно-поступательные движения. Оси поршней, рабочих колес и шаров совпадают и при движении описывают правильную окружность. Шары поджаты заглушками к статору, хорошо отполированные полусферы позволяют шару, также хорошо отполированному, проворачиваться. Большая твердость поверхностей, смазка и охлаждение смазывающей жидкостью снижают трение, а проворачивание шара избавляет его от наклепа, увеличивая равномерность износа и срок службы. Заглушка заворачивается в статор по резьбе и имеет фиксатор, что позволяет регулировать затяжку шаров, а также позволяет при необходимости производить их замену без снятия и разборки двигателя.
На ротор напрессована насадка ЭСДГУ, а в статор впрессована вставка ЭСДГУ. Насадка ЭСДГУ и вставка ЭСДГУ, расположенные рядом в одной плоскости, за счет варьирования электрического тока осуществляют магнитную связь между ротором и статором для запуска, плавности вращения, торможения, рекуперации вращательного движения, электропитания, управления бортовым компьютером и т.д.
С целью повышения надежности и технологичности двигатель снабжен поршневыми шестернями, обеспечивающими и взаимно противоположное перемещение поршней в паре. Поршневые шестерни установлены в корпусе, а корпус подпружинен и связан с механизмом управления.
Работа ШДВС сводится к получению механической энергии вращения ротора за счет сгорания горючей смеси /химическое преобразование/, за счет взаимоиндукции /электромагнитное преобразование/.
При запуске ЭСДГУ поршень 8 (фиг.1) находится в крайнем левом положении. Горючая смесь над днищем поршня сжата. За счет искрового разряда свечи 6 (фиг.1) смесь воспламенится и оттеснит поршень в правую сторону. При этом ролик 9 (фиг.1) покатится, совершая рабочий ход, по шару. Сила энергии газа повернет ротор на 1/16 оборота против хода часовой стрелки (фиг.2). Связанная с поршнем 8 поршневая шестерня 19 (фиг.2) переместит следующий за ним поршень влево (фиг.1), который сожмет смесь. Одновременно следующая пара поршней придет в движение. Причем очередной поршень пойдет вправо, совмещая продувочное окно ротора 21 (фиг.2) с впускным окном статора. Здесь показан момент перекрытия продувочного окна ротора впускного и выпускного окон статора. Движение поршня вправо произойдет из-за поворота поршневой шестерни, так как связанный с ним поршень будет перемещаться влево, потому что ролик последнего поршня обкатывает шар статора. Этот поршень пойдет справа налево. Продувочное окно ротора последнего поршня 21 (фиг.2) окажется напротив канала выпуска, через который произойдет выпуск отработанных газов. Чередование впуска, выпуска, рабочего хода, сжатия присуще четырехтактному ДВС.
Отсутствие зазоров в коромысле и его приводах, компенсирующих смещения коромысла из-за отсутствия коромысла как такового, увеличивает надежность ШДВС, потому что исключаются ударные нагрузки. Кроме этого, ШДВС вместо синусоидальной направляющей известных двигателей имеет шаровой механизм с тарельчатыми пружинами, которые улучшают плавность хода, делая двигатель долговечней, ремонтнопригодней, экономичней. Экономичней делает двигатель и применение ЭСДГУ.
ЭСДГУ работает следующим образом. Ротор ШДВС при накате /езде под гору/ выполняет функции маховика - рекуператора за счет варьирования направления и силы электрического тока. Для этого на роторе ШДВС по аналогии с ротором генератора имеется обмотка возбуждения и металлический сердечник с выступами "север", "юг". При накате включается задающий элемент колебательного контура триггерного возбуждения, который синхронно обеспечивает поступление пульсирующего тока с максимумом амплитуды к моменту пересечения полюсом магнита ротора середины магнитопровода обмоток статора.
Чем быстрее крутится в накате колесо автомобиля, на котором расположен задающий элемент, тем интенсивнее амплитуда возбуждения, тем больше скорость ротора, опережающая многократно угловую скорость колеса.
Электрический ток в статоре и роторе протекает так, что свободновращающийся ротор обгоняет колесо, которое за счет противодействующей силы притормаживает, раскручивая ротор до очень большой угловой скорости. При окончании выката обмотка статора замыкается через реостат, а колебательный контур отключается. Колесо через кулачковую муфту или дисковое сцепление увлекается ротором и получает необходимую строго дозируемую тягу. В последнем случае ЭСДГУ работает как электродвигатель. При снижении угловой скорости вращения ротора как маховика-рекуператора реостатом снижают сопротивление до короткого замыкания, и колесо получает необходимую тягу. Как только энергия ротора-маховика израсходуется, включается подача топлива или тока от аккумуляторов.
1. Роторно-поршневой двигатель, содержащий неподвижный статор, ротор с цилиндрами, оси которых параллельны оси вращения ротора, поршни с элементами качения и механизм, отличающийся тем, что механизм выполнен шаровым с упругим элементом между свободно вращающимися шарами, расположенными в упорных пробках, при этом по шарам обкатываются контактирующие с ними элементы качения поршней, давая им возможность совершать возвратно-поступательные движения, а двигатель снабжен электрическим стартерно-двигательным генерирующим устройством, расположенным непосредственно на роторе и статоре двигателя.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршни поршневыми рейками попарно соединены поршневыми шестернями в корпусах, которые подпружинены и связаны с механизмом управления и его приводом.
