роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий полый корпус со всасывающими и выхлопными каналами и окнами, роторы с по меньшей мере двумя поршнями на каждом, конический дифференциал, устройство опоры с управляющим кулачковым механизмом, имеющим опорные и управляющие кулачки, и поворотными стопорами, установленными на роторах, и выходной вал с маховиком, причем сателлиты дифференциала установлены на осях, жестко связанных с выходным валом, а центральные конические колеса жестко связаны с соответствующими роторами, отличающийся тем, что он снабжен демпферами, установленными на роторах, а устройство опоры планетарным редуктором и упругими элементами, опорный кулачок установлен на соответствующем водиле редуктора с возможностью вращения и связан с ним через упругие элементы, а управляющий жестко на корпусе, причем коронное колесо редуктора жестко связано с корпусом, центральное колесо редуктора с выходным валом, а демпферы на роторах установлены с возможностью упругого контакта в крайних положениях взаимного углового смещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в различных устройствах, требующих для своего функционирования использования механической работы.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнями, с всасывающими и выхлопными окнами, картер и устройство передачи и преобразования энергии рабочего тела на исполнительном механизме в виде вала с маховиком. Торовый цилиндр представляет собой гильзу, разрезанную по окружности периметра тора на две половинки с размещенными в них с возможностью движения шестью поршнями, выполненными сопряженными по форме тора и жестко закрепленными по три на соответствующих роторах, с размещенными на своих ступицах зубчатыми венцами, входящими в зацепление с зубчатыми колесами, закрепленными на валу и образующими дифференциал. Картер представляет собой базовую деталь, состоит из двух соединяемых при помощи болтов половин и обеспечивает размещение половин гильз цилиндра, а также при помощи гнезд в центральной части установку вала с маховиком.

Для обеспечения функционирования данной схемы двигателя необходимо в определенных зонах тора организовать на время высвобождения энергии рабочего тела в данном замкнутом объеме наличие, кроме стенок цилиндра и рабочего поршня, временного запирающего с противоположной стороны от подвижного рабочего поршня, менее подвижного элемента, замыкающего этот объем. Таким элементом является такой же поршень, двигающийся вслед за первым и находящийся на другом роторе. Кроме того, для данной схемы существенной конструктивной задачей является организация системы управления динамикой основных узлов и деталей и взаимодействием между собой роторов, т.е. способа их переключения с одного режима над другой, который должен обеспечить высокую надежность работы при максимально возможном плавном переводе ротора с поршнями с рабочего цикла, когда он находится в зацеплении с механизмом передачи энергии на вал, в режим подготовки очередного рабочего хода, связывая его с устройством опоры, и наоборот, т.е. все это связано со значительными изменениями скоростей за один оборот вала двигателя.

В аналоге роторы с внешней стороны снабжены венцами с зубчатыми выступами, а в корпусе картера установлено по кругу около 50 защелок, образующих храповой механизм, который и обеспечивает прямое без каких-либо промежуточных механизмов опирание ротора с полной его остановкой на время рабочего цикла двигателя. Такой метод обеспечения опоры с полной остановкой поршня снижает преимущества этой схемы двигателя перед традиционными поршневыми с их возвратно-поступательным движением, приводит к большим динамическим нагрузкам на детали и узлы, к снижению КПД и быстроходности. Следует также иметь ввиду, что храповой механизм в основном применяют в передачах периодического вращательного движения в установках для преобразования качательного движения в однонаправленное движение. В такой схеме двигателя требуется осуществление "жесткой" системы управления роторов с поршнями как относительно статора, так и между собой, в то время как храповой механизм способен ограничить движение роторов только назад относительно статора. При запуске, при перебоях с подачей топлива в системе зажигания, да если при этом двигатель состоит из ряда секций (несколько торов), в отсутствие "жесткой" системы управления положениями роторов с поршнями очевидно, что между ними возможно рассогласование. Это наблюдалось при отработке различных вариантов основных кинематических узлов на действующем макете. Торовый цилиндр вмещает шесть поршней, которые занимают около 3/5 его объема, и около 1/5 цилиндра вообще остается неиспользованной, т.е. в этом двигателе не реализуется одно из преимуществ этой схемы: возможность значительно большего объема наполнения топливовоздушной смесью и соответственно съема работы за один оборот по сравнению с традиционной схемой четырехтактного двигателя, что не снижает металлоемкость на единицу мощности.

Наиболее близким к изобретению является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус со всасывающими и выхлопными каналами и окнами, роторы с по меньшей мере двумя поршнями на каждом, конический дифференциал, устройство опоры с управляющим кулачковым механизмом, имеющим опорные и управляющие кулачки, с поворотными стопорами, установленными на роторах, и выходной вал с маховиком, причем сателлиты дифференциала установлены на осях, жестко связанных с выходным валом, а центральные конические колеса жестко связаны с соответствующими роторами.

Прототип имеет ряд недостатков, обусловленных несовершенством его конструкции. Отсутствие демпфирующих и упругих элементов связи в управляющем кулачковом механизме и между роторами приводит к жестким ударам между их деталями при их стопорении относительно корпуса, что ведет к снижению долговечности и других технико-экономических показателей.

Целью изобретения является повышение технико-экономических характеристик и показателей.

Цель достигается тем, что устройство снабжено демпферами, установленными на роторах, а устройство опоры планетарным редуктором и упругими элементами. Каждый опорный кулачок установлен на соответствующем водиле редуктора с возможностью вращения и связан с ним через упругие элементы, а управляющий жестко на корпусе, причем коронное колесо редуктора жестко связано с корпусом, центральное колесо редуктора с выходным валом, а демпферы на роторах установлены между собой с возможностью упругого контакта в крайних взаимных положениях.

Такое выполнение роторно-поршневого двигателя позволяет обеспечить оптимальные нагрузки на узлы и детали, в результате чего возможно повышение быстроходности двигателя, снижение металлоемкости производства основных узлов и деталей, повышение надежности работы, увеличение срока эксплуатации и повышение КПД. Установка минимально необходимого количества поршней на роторах (по два поршня) обеспечивает максимально возможный съем мощности с торового цилиндра, минимальную металлоемкость при максимальной равномерности вращения.

На фиг. 1 показан двигатель, продольный разрез; на фиг.2 он же, поперечный разрез; на фиг.3 поворотный стопор.

Роторно-поршневой двигатель содержит полый корпус 1, выполненный в виде сухого тороидального картера, состоящего из двух половин 2, отлитых из алюминиевого сплава и скрепленных по плоскости симметрии, в которой располагается осевая линия торовой полости. В каждой из половин сухого картера симметрично установлена часть тороидального цилиндpа 3, выполненная, например, из легированного чугуна. На корпусе 1 выполнены стойки 4 (фиг.2) крепления двигателя к опорной раме, а на наружной поверхности каждой половины 2 тороидального сухого картера ребра 5 воздушного охлаждения и отверстия 6 для установки свечей зажигания или форсунок. В нижней части картера выполнены всасывающие 7 и выхлопные 8 каналы и окна с привалочными местами крепления соответствующих трубопроводов. Обе половины картера соединяются по периметру через прокладку при помощи болтов. Соединение нескольких картеров в многоцилиндровый блок может быть осуществлено, например, при помощи резьбового соединения. По оси корпуса в соответствующих гнездах размещены выходной вал 9 с маховиком 10. На валу 9 установлены роторы 11 с поршнями 12, которые соединены с роторами 11 через кронштейны 13. На роторах 11 выполнены канавки 14 для средств уплотнения и установлены поворотные стопоры 15, соответствующие центральные конические колеса 16 и 17 конического дифференциала, демпферы 18 и сателлиты 19.

Устройство опоры (фиг.1) включает управляющий кулачковый механизм с опорными 20 и управляющими 21 кулачками, поворотные стопоры 15, конический дифференциал с центральными коническими колесами 16 и 17, жестко связанными с соответствующими роторами, сателлиты 19, установленные на осях 22, жестко связанных с выходным валом 9, и планетарный редуктор с водилами 23 и упругими элементами 24. Опорные кулачки 20 установлены каждый на своем водиле 23 с возможностью поворота и связаны с ними упругими элементами 24. Управляющие кулачки 21 жестко установлены на корпусе 1. Коронное колесо 25 планетарного редуктора жестко связано с корпусом 1, а центральное колесо 4 этого редуктора с выходным валом 9. Демпферы 18 установлены на роторах 11 с возможностью упругого контакта в крайних положениях их взаимного углового смещения и предназначены для уменьшения динамических нагрузок на детали устройства опоры при постановке ролика 26 поворотного стопора 15 в паз 27 опорного кулачка 20 и последующего выполнения в динамике работы элементов устройства опоры, т.е. своевременного выхода из зацепления ролика 26 и управляющего механизма и предварительного разгона соответствующего ротора 11 во время рабочего хода.

В двигателе используется планетарный редуктор, согласованный по передаточным отношениям с коническим дифференциалом, что позволяет им синхронно функционировать в заданном режиме. Поворотный стопор 15 может быть выполнен в виде V-образного двуплечего рычага, установленного на водиле 23 планетарного редуктора и снабженного по концам обоих плеч роликами 26, установленными для снижения трения и износа поворотного стопора 15 и кулачков механизма. Управляющие кулачки жестко установлены на корпусе 1 и имеют управляющие выступы, посредством которых поворотные стопоры 15 устанавливаются в положение зацепления с пазами 27 опорных кулачков 20, и углубления, позволяющие поворотным стопорам выходить из этого зацепления. Для улучшения плавности работы, а также снижения ударных нагрузок на элементы механизма и предотвращения перегрузок в нем из-за незначительных несовпадений фаз движения роторов поворотный стопор 15 может быть выполнен из двух упруго связанных звеньев 28 и 29, связь между которыми осуществлена, например, посредством пружины или другого упругого элемента (не показан). Поворотный стопор при этом может быть снабжен упором-защелкой 30, установленной на одном из звеньев, желательно кинематически связанном с управляющим кулачком 21 и упорным выступом 31 на другом. На водиле 23 при этом выполняется управляющий выступ, например, в виде штифта 32.

Торцовое уплотнение цилиндра по роторам состоит из ряда кольцевых канавок 14 и 33 (фиг.1), в которые установлены сегменты разрезных на части колец 34 и 35, причем по центральной части между ободами роторов установлены сегменты кольца 34 с прямоугольным сечением, а между роторами и стенкой шейки картера сегменты кольца 35, имеющие скос. Может быть рассмотрен вариант и бесконтактного лабиринтного уплотнения, например, в виде ряда гребней или канавок. Целесообразно также применять комбинированную схему с подачей масла под давлением и организованной его откачкой. Устройство уплотнения поршней имеет ряд радиально расположенных канавок 36 и установленные в них кольца 37.

Благодаря определенной установке при сборке узлов и деталей зацеплений центральных конических колес 16, 17 роторов 11 и сателлитов 19 на оси 22, а также заданному передаточному числу и зацеплению колес планетарного редуктора и соответствующему этому определенному взаимному положению опорных кулачков 20 относительно роторов 11 с поршнями 12, а также управляющего кулачка 21 на корпусе 1 постоянно один из роторов 11 своим поворотным стопором 15 или его звеном с роликом 26 находится в зацеплении с опорным кулачком 20 через паз 27, а другой передает вращение на выходной вал.

Работает двигатель следующим образом.

Запускается двигатель от стартера системы пуска (не показаны), вращающего выходной вал 9 и передающего вращение с одной стороны через оси 22 дифференциального механизма на роторы 11 и с другой стороны планетарный редуктор и соответственно на управляющий кулачковый механизм. Пир этом один из роторов связан с подвижной опорой, а другой воспринимает крутящий момент и обеспечивает первичное сжатие газа. После достижения заданного положения роторов топливовоздушная смесь воспламеняется и двигатель начинает работать в следующей повторяющейся последовательности.

Двигатель с кулачковым механизмом, имеющим единый поворотный стопор 15, работает в следующей последовательности. Один из роторов 11, например справа на фиг.1, жестко связан с пазом 27 правого управляющего кулачка 21 подвижной опоры, установленного соответственно на правом водиле 23 планетарного механизма, и движется с заданной скоростью, определяемой движением планетарного механизма. Другой, левый, ротор 11 при рабочем ходе движется под воздействием воспламенившихся газов, не связан со своим (левым) водилом 23 и передает при этом за счет разницы передаточных отношений конического дифференциала и планетарного механизма вращениe на выходной вал через свое коническое колесо 16. Поворотный стопор 15 первого ротора не может выйти из жесткого зацепления с пазом 27 опорного кулачка 20, так как поджат к нему выступом управляющего кулачка 21 на корпусе. Поворотный стопор 15 второго ротора свободно движется между поверхностью канавки своего управляющего кулачка 21 и поверхностью соответствующего опорного кулачка 20.

При достижении вторым ротором выхлопного окна 8 рабочий ход заканчивается. Далее поворотный стопор 15 первого ротора достигает конца кулачка и, например, за счет центробежных сил или от дополнительной пружины выходит из паза 27 опорного кулачка. Поворотный стопор 15 второго ротора при этом, наоборот, под действием соответствующего управляющего кулачка 21 входит в зацепление со своим опорным кулачком 20. Несовпадение скоростей сопряженных частей механизма и другие динамические нагрузки, а также расхождение в их положениях могут быть скомпенсированы за счет упругих элементов 38, выполненных в виде пружин, установленных между соответствующими выступами 30 водил и выступами 40 опорных кулачков и закрытых кольцом 41, установленным поверх указанных выступов и предотвращающим выпадение тангенциально расположенных упругих элементов 24 под воздействием центробежных сил.

Если второй ротор в момент окончания рабочего хода обладает значительной скоростью и кинетической энергией, то он может передать ее первому ротору для последующего разгона через упругие демпферы 18, установленные на роторах 11 с возможностью упругого контакта в крайних положениях взаимного углового смещения, которые могут запасти избыток кинетической энергии и отдать ее в нужный момент.

Далее функции и последовательность действия роторов 11 меняются местами, т. е. второй ротор жестко связан со своим опорным кулачком 20, а первый свободно вращается на выходном валу 9 с соответствующей последовательностью работы остальных элементов управляющего механизма. Для осуществления указанного цикла в полном объеме поршни 12 выполнены двусторонними, что позволяет осуществить рабочие процессы во всех изменяемых объемах и в пространствах между всеми поршнями. Всасывание (впуск), сжатие, рабочий ход и выхлоп происходят обычным порядком, как в известных роторных двигателях, с помощью известных средств.

Работа управляющего механизма с составным (состоящим из двух частей 28 и 29 и упора-защелки 30) поворотным стопором 15 отличается от описанного ранее процесса только тем, что в процессе работы поворотного стопора возможен вариант, когда положение управляющего 21 и опорного 20 кулачков не согласовано. При этом поворотный стопор складывается и притормаживает ротор 11 или водило 23, что повышает плавность работы (долговечность) двигателя и расширяет его функциональные возможности. При достижении поворотным стопором 15 паза в опорном кулачке 20 его звенья 28 и 29 принимают обычное положение, которое фиксируется упором-защелкой 30, установленной на одном из звеньев и упирающейся в упор в виде штифта 32 на другом. После прохождения управляющего кулачка 21 звено с поворотной упором-защелкой 30 поднимается, а упор-защелка 30 упирается в штифт 32 на водиле и расщепляет звенья поворотного стопора 15, что также притормаживает ротор и водило и снижает динамические нагрузки в механизме.

Герметичность цилиндра обеспечивается по шейке картера в месте вращения ободов роторов при помощи канавок 14 и 33 и размещенных в них сегментов колец 34 и 35. Под действием центробежных сил сегменты колец 34 прямоугольного сечения, находящиеся между роторами, прижимаются к верхним полкам канавок роторов, а сегменты колец 35 со скосом в сечении, находящиеся в канавках роторов, обращенных к стенкам шейки картера, расходясь, скользят по скосу канавок и прижимаются к стенке шейки. Кроме того, в канавки подается под давлением масло с последующей его откачкой из канавок, находящихся на входе в цилиндр.

Цель действительного повышения технико-экономических показателей и характеристик данной схемы двигателя достигается путем установки поворотных стопоров 15 и демпферов 18 на роторах, жесткого размещения управляющих кулачков 21 на корпусе двигателя, а устройства опоры с управляющим кулачковым механизмом на водиле 23 планетарного редуктора через упругие элементы 24. Все это совместно с дифференциалом составляет систему управления и взаимодействия основных узлов и деталей двигателя, а также оптимизирует их динамические нагрузки.

Кроме того, в устройство вводится минимально необходимое для функционирования двигателя этой схемы количество поршней 12. В результате этого достигаются повышение общей мощности, так как с введением опорного кулачка 20 с упругими элементами 24, демпферов 18 и поворотных стопоров 15 на роторах 11 с их управляющими кулачками 21, установленными на корпусе 1, снижается потеря кинетической энергии при постановке ротора 11 на опору и обеспечивается быстроходность двигателя; снижение металлоемкости двигателя и упрощение производства основных узлов и деталей, так как устанавливается минимально необходимое количество поршней 12, а также облегчаются отдельные узлы и детали благодаря снижению динамических нагрузок в результате установки демпферов 18 и связи опорного кулачка 20 с редуктором через упругие элементы 24; повышение надежности работы и эксплуатации двигателя на всех режимах: от проведения запуска, перебоев в системах обеспечения (горючим, зажиганием), изменения оборотов до остановки в результате обеспечения "жесткого" управления взаимодействием основных узлов и механизмов, благодаря чему исключается рассогласование роторов 11 и обеспечивается работоспособность двигателя, состоящего из нескольких секций (блока торов); максимальное использование преимущества "бесконечного" цилиндра-тора (всего объема). Этим в основном и исключается недостаток традиционного двигателя с поступательно-возвратным движением поршней, но если (как в аналоге) предусматpивается в процессе работы их полная остановка, то это значительно снижает названные преимущества. В изобретении этот недостаток устраняется устройством подвижного опорного кулачка 20. В аналоге около 3/5 объема цилиндра занято шестью поршнями, а 1/5 цилиндра вообще не используется, что значительно снижает съем количества работы со всего тора. Повышается КПД двигателя, так как исключается в работе полная остановка роторов 11 введением подвижной опоры с исключением большого количества пружинных защелок (50 шт.), максимально используется объем тора и повышается быстроходность.

В процессе подготовки предложения на действующей от стартового двигателя модели были проверены кинематика и взаимодействие основных узлов и механизмов: поворотных стопоров с их кулачковым управлением опорного кулачка с упругой связью его с редуктором и их взаимодействие с дифференциалом. Благодаря простоте предлагаемого двигателя требуется сравнительно небольшой перечень работ, необходимых для разработки рабочей документации опытного образца и доведения его до промышленного использования.

Что касается формы цилиндра, то, учитывая уровень настоящего производства и оснащения предприятий станочным парком с ЧПУ и его возможностей, изготовление этих деталей с выполнением необходимых технических и технологических требований не представляет каких-либо необычных трудностей. Предлагаемая схема двигателя позволяет ее наращивать простым подключением отдельных секций в соответствующие блоки до требуемых величин технических характеристик.