двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий неподвижный полый корпус с крышкой, внутри которого установлены с возможностью периодического вращения вал, ротор, состоящий из двух частей - втулки и диска, и две группы лопастных рабочих органов, одна из которых жестко связана с втулкой, а другая - с диском, все зазоры между контактирующими поверхностями имеют уплотнения, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса и внешняя поверхность втулки выполнены в виде усеченных конусов, при этом их большие основания направлены в противоположные стороны, лопасти сопряжены с ними, диск расположен со стороны большего основания полости корпуса, а втулка и диск с лопастями установлены с возможностью осевого регулируемого перемещения.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности полости корпуса выполнена окружная канавка, а в ней расположена заслонка, установленная с возможностью окружного фиксируемого перемещения и перекрытия поперечного сечения канавки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известен двигатель внутреннего сгорания с неравномерным движением рабочих органов, содержащий неподвижный корпус с кольцевой рабочей камерой и лопастные рабочие органы: основные, кинематически связанные с выходным валом постоянной угловой скорости, и вспомогательные, кинематически связанные с валом механизма периодического изменения угловой скорости, выполненное в виде кривошипно-шатунной передачи. Вспомогательные рабочие органы выполнены с втулкой, установленной концентрично с валом механизма периодического изменения угловой скорости и связанной с валом при помощи шлиц, выполненных на стороне, противоположной механизму, а кожух механизма периодического изменения угловой скорости выполнен с возможностью вращения и связан с одной стороны непосредственно с основными рабочими органами, а с другой стороны с выходным валом [1] .

Недостатком этого двигателя является сложность конструкции, включающей кривошипно-шатунный механизм. Кроме того, уплотнения лопастей, имеющих прямоугольную форму, после определенного износа необходимо заменять новыми, так как увеличение зазора между контактирующими поверхностями ничем не компенсируется и параметры двигателя ухудшаются.

Известен лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с крышкой и рабочей камерой, лопастные рабочие органы, одна группа которых выполнена с втулкой, устанавливаемой концентрично с валом, а другая - жестко соединена с диском, установленным между корпусом и крышкой концентрично валу. Лопасти выполнены прямоугольной формы, в зазорах между контактирующими элементами имеются уплотнения (выложенная заявка Японии N 51-33206, кл. 51 В 61, серия 4, 1976).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является лопастный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с крышкой и рабочей камерой, лопастные рабочие органы, одна группа которых выполнена с втулкой, устанавливаемой концентрично с валом, а другая жестко соединена с диском, установленным между корпусом и крышкой концентрично валу. Лопасти выполнены прямоугольной формы, в зазорах между контактирующими элементами имеются уплотнения [3] .

Недостатком описанных решений является то, что при износе уплотнений требуется их замена, что предусматривает трудоемкий процесс разборки и сборки двигателя. Кроме того, осуществленным недостатком данного двигателя является большой шум при работе двигателя, обусловленный соударением лопастей.

Цель изобретения - увеличение сроков работоспособности двигателя за счет продления сроков работы уплотнительных элементов с возможностью компенcации износа последних путем сокращения ширины зазоров, уменьшение шума за счет уменьшения силы соударения лопастей путем упреждающего переброса части газов из камеры сгорания в выхлопную полость, создавая там своеобразную газовую подушку, уменьшающую силу соударения лопастей.

Предложенное конструктивное решение лопастного двигателя обеспечивает его работу без разборки и заводского ремонта с продолжительностью эксплуатации, практически равной сроку службы изделия, на котором он установлен. Двигатель работает бесшумно.

Предложенный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный полый корпус с крышкой, в котором установлены с возможностью периодического вращения вал, ротор, состоящий из двух частей - втулки и диска, и две группы лопастных рабочих органов, одна из которых жестко связана с втулкой, а другая - с диском, все зазоры между контактирующими поверхностями имеют уплотнения. Внутренняя поверхность корпуса и внешняя поверхность втулки выполнены в виде усеченных конусов, при этом их большие основания направлены в противоположные стороны, лопасти сопряжены с ними, диск расположен со стороны большого основания полости корпуса, а втулка и диск с лопастями установлены с возможностью осевого регулируемого перемещения. На внутренней поверхности плотности корпуса выполнена окружная канавка, в ней расположена заслонка, установленная с возможностью окружного фиксируемого перемещения и перекрытия поперечного сечения канавки.

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с прототипом показывает, что оно содержит следующие отличительные признаки:

рабочая камера выполнена в виде усеченного полого конуса, заключена между конусообразной втулкой и конусообразной внутренней поверхностью корпуса и большим основанием обращена в сторону диска, причем между диском и втулкой имеется зазор;

в корпусе двигателя выполнена перепускная канавка, в которой размещена заслонка с хвостовиком с возможностью возвратно-поступательного движения по дуговой траектории, а к хвостовику шарнирно прикреплен винт с маховиком.

На фиг. 1 изображен общий вид двигателя внутреннего сгорания в аксонометрии; на фиг. 2 - основные составные части двигателя в аксонометрии; на фиг. 3 - продольный разрез двигателя; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 7 - совмещенные разрезы Г-Г и Д-Д на фиг. 1; на фиг. 8 - вид Е на фиг. 1; на фиг. 9 - разрез Ж-Ж на фиг. 1.

Двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус 1 с прикрепленной к нему болтами 2 крышкой 3, котором помещена втулка 4 с двумя жестко закрепленными лопастями 5 и 6, соединенная с корпусом 1 при помощи обгонной муфты 7, диск 8 с двумя жестко закрепленными лопастями 9 и 10, соединенный с крышкой 3 при помощи обгонной муфты 11 и поджатый гайкой 12, зафиксированной контргайкой 13 через упорный подшипник 14 к корпусу 1.

Втулка 4 и диск 8 расположены на валу 15 с зазором 8¹, ширина которого не менее суммы зазоров между торцовыми поверхностями лопастей и рабочей камеры и может составлять, например, 2-6% высоты рабочей камеры двигателя. Втулка 4 и диск 8 смонтированы на валу 15 с помощью обгонных муфт 16 и 17 соответственно, которые соединены с валом 15 шпонками 18 и 19. Обгонная муфта 7 закреплена на втулке 4 при помощи шпонки 20, а обгонная муфта 11 соединена с диском 8 при помощи шпонки 21.

Корпус 1 выполнен со всасывающим отверстием 22 и выхлопным отверстием 23 и содержит свечу зажигания 24. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью втулки 4 образована рабочая камера 25 в форме усеченного полого конуса, ограниченная торцовыми поверхностями корпуса и диска.

Лопасти 5 и 6, 9 и 10 вписываются в форму камеры. К диску 8 жестко закреплены большими торцами пара лопастей 9 и 10, боковые поверхности которых обращены как к внутренней конической поверхности корпуса 1, так и к конической поверхности втулки 4, а меньшими торцами обращены к торцовой внутренней поверхности корпуса 1. К втулке 4 жестко закреплены боковыми поверхностями лопасти 5 и 6, обращенные боковой поверхностью к внутренней конической поверхности корпуса 1, а торцовыми поверхностями - к внутренним торцовым поверхностям корпуса 1 и диску 8. Во все зазоры между вращающимися деталями и корпусом, а также между втулкой и диском помещены уплонительные элементы 26, поджатые упругими элементами 27. Уплотнительные элементы выполнены равноизнашиваемыми, это обеспечено различными приемами конструирования: 1) в зоне большего износа трущаяся поверхность выполнена большей по сравнению с поверхностью в зоне меньшего износа, т. е. в прямой зависимости. Так, например, поверхности уплотнений диска и лопастей, контактирующих с внутренней поверхностью корпуса, должны быть большими поверхностей уплотнений, контактирующих с втулкой, или же иметь большее количество рядов уплотнений, и по периметру уплотнения должны иметь переменные размеры поверхностей: с увеличением радиального расстояния уплотнение должно быть шире, по принципу трапеции; 2) при одинаковой величине поверхности уплотнений должны быть различные величины усилий прижима (величины упругости упругих элементов); 3) применением материалов уплотнений различной износостойкости.

При сближении поверхностей при осевом поджатии расстояние между боковыми поверхностями всегда меньше, чем между торцовыми, однако отношение этих сближений всегда величина прямопропорциональная и постоянная, что позволяет обеспечить пропорциональность износа указанными методами простого конструирования.

Для контроля усилия поджимной гайки установлен, например, во втулке датчик 28, контактирующий с упругим элементом 27.

На диске и втулке имеется по одной жестко с ними соединенной обойме 29, на каждой обойме выполнено по два углубления 30 и по две лыски 31. Причем углубления и лыски выполнены так, что их положению на фиг. 7 соответствует положение лопастей на фиг. 4. Втулка 4 и диск 8 установлены на подшипниках 32. На концах втулки и диска жестко закреплены обгонные муфты 33 с зубчатыми колесами 34 для запуска двигателя. К обоймам 29 смонтирован стопор 35 с пружиной 36 и прерывателем, состоящим из подвижного рычажка с контактом 37 и неподвижного контакта 38. Подвижный контакт снабжен регулировочным устройством, состоящим из винтов 39 и 40 и пружины 41. Усилие пружины 36 сжатия по величине превосходит усилие пружины 41 растяжения.

К обоймам 29 (лыске 31) также смонтирован фиксатор 42 с пружиной 43, тягой 44 и рукояткой 45, выведенной на приборный щиток. Усилие пружины 43 позволяет стопору удержать лопасти со сжатой смесью. Вал 15 отбора мощности с маховиком 46 установлен на подшипниках 47 и имеет зубчатый венец 48, по которому обкатываются четыре сателлита 49, помещенные в зубчатом венце 50. Элементы 48, 49 и 50 размещены симметрично с двух сторон вала 15.

К двигателю смонтирован пусковой механизм, состоящий из двух зубчатых секторов 51 с возможностью входа в зацепление с зубчатыми колесами 34 и двух зубчатых секторов 52. Сектора 51 и 52 жестко соединены с валами 53, как показано на фиг. 1. Один из секторов 51 связан с возвратной пружиной 54, другой - при помощи водила 55 сопряжен с зубчатым колесом 56, с которым зацеплена шестерня 57 стартера 58. Диаметры зубчатого сектора 51 и зубчатого колеса 56 выполнены в соотношении, позволяющем сектору 51 совершать неполный оборот, а качательно-возвратное движение, при этом зубчатое колесо 34 совершает пол-оборота.

В корпусе двигателя смонтирован противоударный механизм лопастей, состоящий из канавки 59, заслонки 60 и шарнирно с ней соединенного винта 61 с маховиком 62.

В корпусе двигателя можно предусмотреть рубашку водяного охлаждения.

Двигатель работает следующим образом.

В положении, показанном на фиг. 4 и 7, происходит разрыв контактов 37 и 38, на свечу зажигания 24 подается высокое напряжение, возникает искра, происходит воспламенение сжатой горючей смеси, заключенной в пространстве рабочей камеры между лопастями 6 и 10, диском и внутренней поверхностью корпуса 1. При этом давление мгновенно увеличивается и лопасть 6 втулки 5 движется в направлении по часовой стрелке, увлекая за собой во вращение вал 15 через обгонную муфту 16, ролики которой при этом заклиниваются между втулкой 4 и телом самой муфты (фиг. 5). При этом диск 8 с лопастями 9 и 10 остается на месте, так как обгонная муфта 11 препятствует его вращению в противоположную сторону (ее ролики заклиниваются между телом муфты и крышкой 3). Втулка 4 с корпусом 1 рассоединена (ролики муфты 7 расклинены) и вал 15 с диском 8 рассоединен (ролики муфты 17 расклинены).

Втулка 4 с валом 15 вращается до тех пор, пока лопасть 6 не пройдет выхлопное отверстие 23, вследствие чего начинается выхлоп отработанных газов, и не займет положение лопасти 9, лопасть 9 становится на место лопасти 5, лопасть 5 занимает положение лопасти 10, сжав при этом горючую смесь, поданную через всасывающее отверстие 22, а за ней в кольцевую камеру 25 подается новая порция горючей смеси, лопасть 10 становится на место лопасти 6. В этот момент на свечу зажигания 24 опять подается высокое напряжение, возникает искра и горючая смесь воспламеняется. Теперь уже выхлоп и вращение вала (рабочий ход) совершает лопасть 10, а сжатие и выпуск рабочей смеси производит лопасть 9, при этом ролики обгонных муфт 17 и 7 заклинены, а ролики муфт 11 и 16 не заклинены. Так поочередно каждая лопасть вращает вал 15 на пол-оборота. Неравномерность вращения вала 15 сглаживается механизмом, состоящим из зубчатых венцов 48 и 50 и сателлитов 49, а также маховиком 46.

П у с к д в и г а т е л я. Двигатель должен быть собран в положении, показанном на фиг. 4 и 7. Только рукоятки 45 должны быть подняты, чтобы стопоры прижимались к лыскам 31 обойм 29 втулки 4 и диска 8. Пусковые сектора 51 совершают противоположные повороты, так как двигатель запускается втулкой 4 и диском 8 на пол-оборота. Для пуска двигателя включают зажигание и стартер 58. При этом колесо 56 приводит в возвратно-качательное движение сектора 51 посредством водила 55, валов 43 и секторов 52. При движении водила вниз диск 8 не приводится в движение, так как ролики его обгонной муфты 33 расклинены (фиг. 8), втулка 4 делает пол-оборота, ролики ее обгонной муфты 33 заклинены (фиг. 9). Втулка 4, вращаясь по часовой стрелке (фиг. 4), совершает всасывание, а при движении водила вверх втулка 4 остается неподвижной, пол-оборота теперь совершает диск 8, производят сжатие рабочей смеси, впущенной перед этим, и всасывая новую порцию рабочей смеси. В положении на фиг. 4 и 7 фиксатор 42 под действием пружины 36 входит в углубление 30, размыкая контакты 37 и 38, возникает искра, происходит воспламенение рабочей смеси, двигатель заводится. Теперь отключают стартер, рукоятки 45 опускают, пружина 54 выводит из зацепления сектора 51 с колесами 34 (фиг. 8 и 9). При остановке после выключения зажигания рукоятки 45 поднимают, лопасти занимают положение на фиг. 4 под действием стопоров 35, прижимаемых пружиной 43 к лыскам 31. Двигатель готов к следующему запуску.

Когда двигатель набрал обороты, его необходимо отрегулировать на бесшумность заслонкой 60, приводимой в движение винтом 61 с маховиком 62. При этом совершается частичный, как бы упреждающий, выхлоп (фиг. 4) через канавку 59 в межлопастное пространство возле выхлопного отверстия 23, создавая там своеобразную газовую подушку, которая уменьшает силу соударения лопастей, уменьшая шум от их ударов. Маховик 62 можно сблокировать с валом 15 зубчатой или иной передачей так, чтобы обеспечить постоянно бесшумность работы двигателя, а не только при установившемся режиме.

При длительной работе двигателя контактирующие поверхности уплотнений изнашиваются в результате трения скольжения. При износе ухудшается герметичность рабочей камеры, вследствие чего мощность двигателя уменьшается, и ухудшаются другие показатели. Чтобы восстановить герметичность камеры, в прототипе, приходится изношенные уплотнения снимать и устанавливать вместо них новые, при этом разбирают и снова собирают двигатель.

Предлагаемая конструкция с рабочей камерой в форме усеченного полого конуса и трапецеидальной формой лопастей дает возможность компенсировать износ контактирующих поверхностей уплотнений поджатием с определенным усилием, контролируемым указателем усилия прижима, вкладыша с лопастями 9 и 10 поджимной гайкой 12 с фиксацией ее контргайкой 13 через упорный подшипник 14 до восстановления усилия прижима, обеспечивающего герметичность. Такие компенсации износов можно совершать до тех пор, пока не выберется зазор, величиной, например, 5-6 мм. При этом разборка и сборка двигателя отпадает. (56) 1. Патент СССР N 847937, кл. F 02 B 55/00, 1981.

2. Патент Польши N 53162, кл. F 02 В, опубл. 1967.

3. Международная заявка N WO 090/01676, кл. F 01 C 1/063, опубл. 1990.