Роторно-поршневой двигатель
Изобретение относится к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение уровня вибраций за счет обеспечения равенства всех камер двигателя как по объему, так и по форме. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит статор, торцевые крышки (передняя и задняя), содержащие опоры вращающегося коленчатого вала и упоры ротора, подвижный ротор, совершающий круговое параллельное движение, подвижные цилиндрические шарниры с пазами, подвижные лопасти. Ротор установлен эксцентрично на коленчатом валу. Лопасти шарнирно закреплены в цилиндрических пазах статора и совершают одновременно качательное движение относительно статора и поступательное движение в пазах шарниров. Шарниры установлены подвижно в цилиндрических отверстиях ротора. Процессы всасывания, сжатия, сгорания топливной смеси, расширения и выпуска продуктов сгорания происходят в рабочих камерах, образованных внутренней поверхностью статора, наружной поверхностью ротора, поверхностями лопаток и торцевых крышек. Изменение объема рабочих камер происходит при круговом параллельном движении ротора. Круговое параллельное движение ротора обеспечивается редуктором, содержащим неподвижно закрепленную в торцевой крышке центральную шестерню, шестерни, вращающиеся на осях, закрепленных на водиле-коленчатом валу, шестерню ротора, и имеющим передаточное отношение между центральной шестерней и шестерней ротора, равное величине минус один. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а именно к роторно-поршневым двигателям и может быть использовано в автомобильном, авиационном и других видах машиностроения.
Из предшествующего уровня техники известен роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля (см. http://www.rotor-motor.ru/page05.htm). Двигатель имеет неподвижный статор, треугольный поршень-ротор, снабженный уплотнениями в вершинах и совершающий эпициклическое движение. Камеры всасывания, сжатия, сгорания и выхлопа образованны внутренней поверхностью статора, наружной поверхностью ротора и поверхностями торцевых крышек. Изменение объемов камер происходит при движении ротора по своей траектории относительно статора. В каждой камере периодически происходит один и тот же такт. Крутящий момент передается коленчатому валу посредством зубчатого венца внутри ротора и шестерни на коленчатом валу двигателя.
К главному недостатку данного двигателя можно отнести быстрый износ уплотнений, вызванный высоким трением, возникающим между уплотнениями, установленными в вершинах ротора, и поверхностью статора при работе двигателя.
Также известен роторный двигатель коллектива из «Южного федерального университета» патент RU №2338905, F02B 55/02, F01C 19/10, содержащий корпус (статор), роторы, установленные неподвижно на вращающемся рабочем валу, подпружиненные качающиеся заслонки, содержащие шарниры с уплотнениями. Рабочие камеры образованы пространством между внутренней поверхностью корпуса, наружной поверхностью ротора, качающимися заслонками и поверхностями торцевых крышек. Изменение объема рабочих камер происходит при вращении рабочего вала за счет эксцентриситета, с которым ротор установлен на валу. В отличие от двигателя Ванкеля в данном двигателе в каждой рабочей камере поочередно протекают все четыре цикла 4-тактного двигателя.
Главным недостатком данной конструкции двигателя является то, что при постоянных оборотах двигателя модуль и вектор силы трения между ротором и уплотнениями, установленными в шарнирах качающихся заслонок, постоянны, что ведет к быстрому износу этих узлов.
Известен орбитальный двигатель внутреннего сгорания Воробьева Ю.В. и Тетерюкова В.Б. патент RU №2285126, F01C 1/39, F02B 55/02, содержащий ротор, который совершает круговое параллельное движение. Рабочий объем двигателя разделен на изолированные камеры. Основными элементами конструкции орбитального двигателя являются: корпус, приводной вал, ротор, совершающий круговое параллельное вращение, боковые крышки, подвижные лопасти, разделяющие объем, заключенный между ротором и корпусом, на изолированные камеры, подвижные шарниры с прорезями, расположенные и в корпусе, и в роторе. Круговое параллельное движение ротора позволяет изменять объем каждой изолированной камеры от максимального до минимального.
К недостаткам конструкции данного двигателя относится расположение дисковых шарниров, находящихся в средней части каждой лопасти. Дисковые шарниры стабилизируют круговое параллельное движение ротора, но являются парами трения и требуют обильного подвода масла для смазки и охлаждения. Нахождение дискового шарнира внутри рабочей камеры ведет к подсосу масла из зазоров дискового шарнира на такте всасывания, перегреву дискового шарнира на такте рабочего хода и закоксовыванию зазоров дискового шарнира во время такта выхлопа. Данное расположение дисковых шарниров снижает надежность, ресурс и экологичность выхлопа двигателя.
Также известен роторный двигатель W.C. Muller US 1935096 А, содержащий ротор, который совершает круговое параллельное движение. Рабочий объем двигателя разделен на изолированные камеры. Основными элементами конструкции двигателя являются: корпус, приводной вал, ротор, совершающий круговое параллельное движение, боковые крышки, подвижные лопасти, закрепленные шарнирно в корпусе и разделяющие объем, заключенный между ротором и корпусом, на изолированные камеры, подвижные шарниры с прорезями, расположенные в роторе. Круговое параллельное движение ротора обеспечивается упорами, закрепленными в торцевых крышках двигателя и взаимодействующими с отверстиями в роторе. Круговое параллельное движение ротора позволяет изменять объем каждой изолированной камеры от максимального до минимального.
К недостаткам конструкции данного двигателя можно отнести то, что диаметр упоров, обеспечивающих круговое параллельное движение ротора, влияет на эффективность работы двигателя. Пусть А - эксцентриситет с которым ротор движется вокруг оси двигателя, R - радиус отверстия в роторе под упоры, r - радиус упора, D - наружный диаметр камеры, d - диаметр ротора. Чтобы не произошло заклинивания ротора в двигателе должно быть соблюдено условие R=A+r, 
. Для увеличения эффективности двигателя, при одном и том же D, необходимо увеличить степень сжатия двигателя. Увеличение А и соответственно уменьшение d, при сохранении D, ведет к увеличению объема и степени сжатия каждой рабочей камеры двигателя. Однако, как следует из первой формулы, простое увеличение А ведет к увеличению R, что проблематично на роторе, d которого надо уменьшить. Остается возможность уменьшать r, что ведет к уменьшению прочности упоров. Возникает противоречие для двигателя с заданным D, а именно - при увеличении эффективности двигателя уменьшается прочность упоров (за счет уменьшения r), при увеличении прочности упоров (за счет увеличения r) падает эффективность двигателя.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками, являются: корпус (статор), подвижный ротор, совершающий круговое параллельное движение, подвижные цилиндрические шарниры с пазами, подвижные лопасти, неподвижные торцевые крышки (передняя и задняя) содержащие опоры вращающегося приводного (коленчатого) вала. Ротор установлен эксцентрично на приводном (коленчатом) валу. Лопасти шарнирно закреплены и совершают одновременно качательное и поступательное движение. Процессы всасывания, сжатия, сгорания топливной смеси, расширения и выпуска продуктов сгорания происходят в рабочих камерах, образованных внутренней поверхностью корпуса, наружной поверхностью ротора, поверхностями лопастей и торцевых крышек. Изменение объема рабочих камер происходит при вращении ротора.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является роторно-поршневой двигатель Соболева А.А. патент RU №2467183, F02B 55/02, F01C 1/328, который содержит корпус (статор), подвижный ротор, совершающий движение, близкое к круговому параллельному, подвижные базы (цилиндрические шарниры) с пазами, подвижные флажки (лопасти), один из которых (ведущий) неподвижно закреплен в роторе, неподвижные торцевые крышки (передняя и задняя), содержащие опоры вращающегося выводного (коленчатого) вала. Ротор установлен с эксцентроситетом на коленчатом валу. Шарнирно закрепленные флажки совершают одновременно качательное и поступательное движение. Процессы всасывания, сжатия, сгорания топливной смеси, расширения и выпуска продуктов сгорания происходят в рабочих камерах, образованных внутренней поверхностью корпуса, наружной поверхностью ротора, поверхностями флажков и торцевых крышек. Изменение объема рабочих камер происходит при вращении ротора.
Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании данного ДВС, обусловлена тем, что ведущий флажок, жестко закрепленный в роторе, не способен обеспечить круговое параллельное движение ротора вокруг оси выводного вала, что приводит к формированию камер сгорания разной формы. Плавная работа двигателя Соболева, имеющего три рабочие камеры, подразумевает, что их объем будет меняться одинаково через каждые 120° поворота выводного вала. Для этого внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность ротора должны представлять собой равнобедренные треугольники. Если принять за исходное положение коленчатого вала положение, при котором вылет ведущего флажка максимален, то в этом положении все грани ротора параллельны стенкам корпуса, а ось ведущего флажка совпадает с вертикальной осью двигателя. При повороте выводного вала в любую сторону от исходного положения происходит разворот оси ротора относительно вертикальной оси двигателя на угол, равный углу поворота ведущего флажка относительно центра вращения своей базы. Этот угол рассогласования достигает своего максимального значения при повороте выводного вала на 120° в любую сторону от исходного, при этом не параллельность соответствующей грани ротора и стенки корпуса составляет этот же угол. Другими словами, форма камеры сгорания, находящейся напротив ведущего флажка, при исходном положении выводного вала, и форма соседних камер сгорания после поворота выводного вала на 120° разные.
Разная геометрия рабочих камер ведет к разным моделям сгорания топливно-воздушной смеси и, как следствие, вибрациям. Изменение углов граней ротора на угол рассогласования, с целью сохранить форму камер сгорания одинаковыми ведет к изменению рабочего объема и степени сжатия в двух камерах, прилегающих к ведущему флажку и, как следствие, вибрациям.
Сущность изобретения заключается в том, что круговое параллельное движение ротора обеспечивается редуктором.
Введем собственное определение кругового параллельного движения: круговое параллельное движение ротора двигателя то, при котором ротор вращается относительно шейки коленвала, но при этом неподвижен относительно собственной оси, совершающей вращение вокруг оси коленвала по окружности, радиус которой равен эксцентриситету коленвала. Для выполнения кругового параллельного движения ротора необходимо и достаточно выполнить условие: при повороте коленчатого вала вокруг своей оси на любой угол, ротор должен повернуться относительно оси шейки коленвала на тот же угол, но с противоположным знаком.
Техническим результатом является снижение уровня вибраций двигателя за счет того, что все камеры сгорания одинаковы как по объему, так и по форме.
Предлагаемый роторно-поршневой двигатель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен продольный разрез двигателя, фиг. 2 - поперечный разрез двигателя, на фиг. 3 представлена принципиальная схема работы редуктора, обеспечивающего круговое параллельное движение ротора двигателя.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит: статор 1, в цилиндрические пазы которого вставлены лопаты 12, коленчатый вал 4, на шейке 6 которого с эксцентриситетом Б установлен ротор 5, в цилиндрические пазы которого вставлены шарниры 11 с плоскими пазами, переднюю 3 и заднюю 2 торцевые крышки. Коленчатый вал установлен в опоры (подшипники), организованные в передней и задней крышках. Редуктор, обеспечивающий круговое параллельное движение ротора, содержит центральную шестерню 10, ось которой совпадает с осью вращения коленвала «О», установленную неподвижно в корпусе одной из крышек (например, задней), блок шестерен 8, 8а (сателлит) и «обратную» шестерню 9 установленные на одной из щек коленчатого вала 4 (водило) и вращающиеся вокруг осей «O1» и «O2», шестерню 7, вращающуюся вокруг оси «O3» и жестко закрепленную в роторе. Если позволяют габариты шестерня 8а может отсутствовать.
Рабочие камеры двигателя образованны внутренней поверхностью статора 1, наружной поверхностью ротора 5, поверхностями торцевых крышек 2,3 и поверхностями подвижных лопастей 12, один конец которых шарнирно закреплен в статоре 1, а второй конец свободно перемещается в плоских пазах шатунов 11. Масса ротора 5 с присоединенными узлами и деталями уравновешивается на коленчатом валу дополнительным весом щек коленвала или противовесом 17. Количество рабочих камер может быть любым.
Круговое параллельное движение ротора обеспечивается следующим образом (см. фиг. 3). При повороте коленчатого вала 4 вокруг оси «О» на любой угол, например, против часовой стрелки, шестерня 8 проворачивается по часовой стрелке вокруг оси «O1», поскольку находится в зацеплении с установленной неподвижно центральной шестерней 10. Шестерня 8а жестко связана с шестерней 8 и передает крутящий момент на шестерню 9, вращающуюся вокруг оси «O2». Шестерня 9 служит для вращения ротора 5 на шейке 6 вокруг оси «О3» в направлении обратном вращению коленвала посредствам зацепления с шестерней 7, жестко связанной с ротором. Оси «O1», «O2» и «О3» закреплены в коленчатом вале и вращаются с ним вокруг оси «О». Если передаточное отношение от шестерни 10 к шестерни 7 равно минус 1, то условие кругового параллельного движения ротора 5 выполнено.
Работа роторно-поршневого двигателя осуществляется следующим образом. Начало работы (запуск) осуществляют, например, посредством стартера (не показано), при этом осуществляется поворот коленчатого вала 4, на котором установлен ротор 5. Редуктор, состоящий из шестерен 7, 8, 8а, 9 и 10, обеспечивает стабилизацию движения ротора 5, заставляя его совершать круговое параллельное движение вокруг оси центральной шестерни 10, совпадающей с осью коленвала. Лопасти 12 проворачиваются в цилиндрических пазах статора 1, при этом свободные концы лопастей входят или выходят из пазов свободно вращающихся шарниров 11, установленных в роторе 5. При таком взаимодействии узлов и деталей, при движении ротора происходит попеременное расширение и сжатие рабочих камер двигателя. При расширении в рабочей камере создается разряжение, что позволяет через открытые впускные клапаны подавать топливно-воздушную смесь. Затем, при закрытых впускных 13 и выпускных клапанах 14, производится сжатие топливно-воздушной смеси, подается электрическая искра от системы зажигания (не показано) на искровую свечу 15. При сгорании топливно-воздушной смеси создается давление газов, которое воздействует на лопасти 12 и ротор 5, создавая крутящий момент на коленчатом валу 4.
При дальнейшем вращении коленчатого вала отработанные газы ротором 5 и лопастями 12 вытесняются из рабочей камеры через открытые выпускные клапаны 14, затем цикл в каждой камере повторяется. За два оборота коленчатого вала 4 в каждой рабочей камере осуществляется 4-тактный цикл: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп газов. Привод клапанов осуществляется газораспределительным механизмом (не показано). Форма ротора 5 может быть цилиндрической или многогранной.
С целью повышения плавности работы и улучшения удельной массы (исключение противовесов) роторно-поршневой двигатель может быть выполнен многосекционным.
1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор, подвижный ротор, совершающий круговое параллельное движение, подвижные цилиндрические шарниры с пазами, подвижные лопасти, неподвижные переднюю и заднюю торцевые крышки, содержащие опоры коленчатого вала, при вращении которого происходит изменение объема рабочих камер, отличающийся тем, что круговое параллельное движение ротора обеспечивается редуктором, содержащим неподвижно закрепленную в торцевой крышке центральную шестерню, шестерни, вращающиеся на осях, закрепленных на водиле-коленчатом валу, шестерню ротора и имеющим передаточное отношение между центральной шестерней и шестерней ротора, равное величине минус один.
2. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что двигатель выполнен многосекционным.
