Роторный двигатель

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в роторном двигателе корпус 1 снабжен ребрами 2 для воздушного охлаждения. Ребра располагаются на поверхности камеры расширения 3 в направлении движения поршней 4 и обрадуют канал газового эжектора системы охлаждения. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель (Патент США N 4901694, кл. F 02 В 53/00, опубл. 20.02.80, Заявка ФРГ N 3937359, кл. F 02 В 53/02, опубл. 17.05.90), содержащий две отдельные части: компрессорный узел и узел сгорания, которые соединены друг с другом механической и газовой связью. Каждый узел содержит корпус, в котором находятся две противоположно расположенных лопасти, разделяющие цилиндрическую полость корпуса на две рабочие камеры. Лопасти вращаются в одном направлении вместе с соосными валами. Последние связаны между собой с помощью эксцентричных эллиптических зубчатых колес.

Причиной, препятствующей получению высокой эффективности двигателя является наличие двух отдельных узлов, существенно усложняющих конструкцию и ухудшающих массогабаритные показатели двигателя, а цилиндрическая полость корпуса ухудшает термодинамические показатели процесса и усложняет уплотнение подвижных стыков.

Известен компаундированный роторный ДВС (Международная заявка 99/00874, кл. F 02 В 53/00, опубл. 19.10.89), содержащий цилиндрические полости корпуса, в которых вращаются секторные роторы, синхронизация движения которых осуществляется с помощью дифференциальных зубчатых передач и храповых механизмов.

Причиной, препятствующей получению высокой эффективности рабочего процесса, является наличие храповых механизмов, затрудняющих четкость фазирования рабочего процесса, повышающих требования к системе запуска и снижающих надежность конструкции. Кроме того, цилиндрические полости корпуса, несмотря на технологичность в изготовлении, обладают известными недостатками, связанными со сложностью уплотнения подвижных стыков и развитостью тепловоспринимающих поверхностей.

Известен роторный двигатель (Заявка ФРГ 3728897, кл. F 01 С 1/077, опубл. 09.03.89), содержащий корпус, преимущественно цилиндрической формы, в котором расположены по меньшей мере две пары поршней, выполненных в виде цилиндрических секторов, совершающих вращательное движение с переменной относительной скоростью. При этом один из поршней каждой пары, обладающий значительным моментом инерции, установлен на главном валу, вращающемся с постоянной скоростью. Другой поршень, установленный на полом валу, охватывающем главный вал, вращается с периодически изменяющейся скоростью, то приближаясь к первому поршню, то удаляясь от него. Этот эффект достигается изменением передаточного отношения зубчатого механизма, связывающего валы. Во второй ступени зубчатой передачи движение передается с помощью зубчатых секторов, отличающихся геометрией зубьев. В результате передаточное отношение изменяется на каждой четверти оборота главного вала.

Причиной, препятствующей получению высокой эффективности рабочего процесса, является неидентичность характера движения поршней в таком двигателе затрудняющая организацию рабочего процесса в последовательно чередующихся полостях одного корпуса, кроме того цилиндрическая форма корпуса требует установки подвижных уплотнений значительной протяженности, а рабочая полость имеет при этом развитую поверхность, что также снижает эффективность протекания процесса преобразования энергии.

Наиболее близким к предлагаемому является роторный двигатель ( Заявка ФРГ 4031272, кл. F 02 В 53/00, опубл. 09.04.92), содержащий торообразный цилиндр с двумя парами поршней. Поршень каждой пары укреплен на противоположных краях своего диска, ось которого совпадает с осью тора. Диски обеих пар поршней соединены между собой и с выходным валом ДВС эллиптическими зубчатыми колесами, так что поршни при вращении вокруг оси тора то сближаются, то расходятся. Изменяющиеся объемы между торцами поршней служат рабочими полостями четырехтактного ДВС. Диски, связывающие поршни между собой и с валом ДВС, проходят сквозь кольцевую щель во внутренней стенке тора, снабженной уплотнениями. В стенках тора размещены впускные и выпускные окна, установлена топливная форсунка и свеча зажигания.

Причиной, препятствующей получению высокой эффективности рабочего процесса в таком двигателе, является неидентичность законов движения поршней и несоответствие их закону естественного расширения рабочего тела, сложность перевода на другие сорта горючего, кроме того имеются существенные технологические трудности при сопряжении дисков с тороидальными поршнями и уплотнении этих элементов преимущественно при создании компактной конструкции, поперечное расположение ребер на поверхности корпуса усложняет конструкцию системы воздушного охлаждения теплонапряженных поверхностей и повышает энергетические затраты на ее функционирование.

Задачей данного изобретения является создание конструкции высокоэффективного двигателя, технологичного в изготовлении, надежного и безопасного в эксплуатации, обеспечивающего возможность работы на различных видах горючего, обеспечивающего высокую степень теплоиспользования энергии выпускных газов, при минимальных габаритах и материалоемкости.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение эффективности, повышение надежности и технологичности изготовления двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что роторный двигатель, содержащий корпус, снабженный ребрами для воздушного охлаждения, имеющий впускные и выпускные окна, с расположенными в нем поршнями, выполненными в виде по меньшей мере двух противоположно расположенных секторов, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной относительной скоростью, и установленными на cooснo расположенных валах, соединенных механизмом синхронизации, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса и вал отбора мощности, имеет корпус, снабженный ребрами охлаждения, расположенными на поверхности камеры расширения в направлении движения поршней, образующими канал газового эжектора системы воздушного охлаждения двигателя.

При этом всасывающие окна выполнены в ряде дугообразных щелей переменного сечения, снабженных золотниками, расположенными в стенке, и имеют преимущественно большую угловую протяженность по сравнению с выпускными окнами в направлении вращения поршней.

Кроме того, рабочая полость корпуса выполнена в виде полутора, а поршни в виде секторов дискообразной формы с тороидальными образующими, в которых выполнены канавки с возможностью установки в них уплотнительных сегментов поршневых колец.

Дополнительно на торцевые поверхности сегментных лопастей поршней установлены по меньшей мере по одному уплотнительному диску, вращающемуся вместе с валами, а уплотнение установлено между внутренней поверхностью дисков и торцами сопряженных секторов.

Узлы поршней с выходными валами выполнены унифицированными и установлены во взаимно противоположных торцевых частях корпуса.

Зубчатые колеса двухступенчатого механизма синхронизации выполнены симметричными и имеют профиль, образованный параболой второго порядка в зависимости от угла в пределах каждой половины полного оборота.

Вал отбора мощности соединен с промежуточным валом механизма синхронизации, либо с водилом зубчатой дифференциальной передачи, соединяющей каждый из валов, на которых вращаются поршни.

Расположение ребер охлаждения на корпусе в направлении вращения поршней и образование с их помощью канала для прохода охлаждающего воздуха, просасываемого газовым эжектором, позволяет улучшишь газодинамические характеристики каналов и повысить эффективность работы системы охлаждения. Изготовление всасывающих окон с регулируемым проходным сечением по направлению вращения роторов позволяет в процессе эксплуатации обеспечивать работу двигателя на различных видах горючего, а различная угловая протяженность впускных и выпускных окон позволяет увеличить степень расширения газов в рабочем объеме, что повышает эффективность двигателя. Тороидальная поверхность корпуса и лопастей поршней позволяет обеспечить наименьшую протяженность подвижных уплотнений и исключить наличие угловых стыков, что повышает эффективность уплотнения, а также при этом обеспечивается наиболее оптимальное соотношение поверхности и объема рабочей камеры с точки зрения термодинамики. Установка уплотнительных дисков на торцевые поверхности сегментных лопастей поршней сокращает величину сметаемой уплотнительными элементами поверхности и снижает скорость взаимного перемещения этих элементов, что повышает эффективность и надежность уплотнения. Унификация поршней позволяет, кроме технологических преимуществ, обеспечить равенство моментов инерции вращающихся частей и идентичность законов изменения объемов в последовательных тактах различных камер. Параболический профиль шестерен механизма синхронизации позволяет согласовать закон движения поршней с законом изменения объема расширяющегося газа, что способствует обеспечению условий адиабатизации двигателя. Соединение вала отбора мощности с промежуточным валом механизма синхронизации и в особенности с водилом зубчатой дифференциальной передачи, соединяющей валы, на которых вращаются поршни, позволяет идентифицировать законы вращения поршней и повысить равномерность вращения выходного вала отбора мощности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг.1 приведен продольный разрез, на фиг.2- поперечный разрез предложенного двигателя, на фиг.3- кинематическая схема варианта механизма синхронизации.

Роторный двигатель содержит корпус 1, рабочая полость которого выполнена в виде полутора, что позволяет уменьшить тепловоспринимающую поверхность и улучшить термодинамические показатели процесса, снабженный ребрами для воздушного охлаждения 2, расположенными на поверхности камеры расширения 3 в направлении движения поршней 4, образующими канал газового эжектора 5 системы воздушного охлаждения двигателя с улучшенными газодинамическими характеристиками, имеющий впускные окна 6, выполненные в виде дугообразных щелей переменного сечения, снабженных золотниками 7, расположенными в стенке, и имеющие преимущественно большую угловую протяженность по сравнение с выпускными окнами 8 в направлении вращения поршней 4, что позволяет увеличить коэффициент наполнения и изменять степень сжатия в широких пределах, обеспечивая этим возможность работы двигателя на различных сортах топлива и дополнительно позволяет увеличить степень расширения газов в рабочем объеме, повышающую эффективность двигателя, поршни 4 изготовлены в виде по меньшей мере двух противоположно расположенных секторов дискообразной формы 9 с тороидальными образующими, в которых выполнены канавки 10 с возможностью установки в них уплотнительных сегментов поршневых колец 11. Поршни 4 имеют возможность совершать вращательное движение с переменной относительной скоростью на соосно расположенных валах 12, соединенных механизмом синхронизации 13, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса 14 и вал отбора мощности 15, на торцевые поверхности секторов 9 поршней 4 установлены по меньшей мере по одному уплотнительному диску 16, вращающемуся вместе с валами 12, а уплотнение установлено между внутренней поверхностью дисков 16 и торцами сопряженных секторов 9, что сокращает величину сметаемой уплотнительными элементами поверхности и снижает скорость их относительного перемещения. Узлы поршней 4 выполнены унифицированными и установлены во взаимно противоположных торцерых частях корпуса 1, что позволяет, кроме технологических преимуществ, обеспечить равенство моментов инерции вращающихся частей и идентичность законов изменения объемов в последовательных тактах различных камер. Зубчатые колеса 14 двухступенчатого механизма синхронизации 13 выполнены симметричными и имеют профиль, образованный параболой второго порядка в зависимости от угла в пределах каждой половины полного оборота. Параболический профиль шестерен механизма синхронизации позволяет согласовать закон движения поршней с законом изменения объема расширяющегося газа, что способствует обеспечению условий адиабатизации двигателя. Вал отбора мощности 15 соединен с промежуточным валом механизма синхронизации 13, либо с водилом зубчатой дифференциальной передачи 17 (фиг.3), соединяющей каждый из валов 12, на которых вращаются поршни 4, что позволяет идентифицировать законы движения поршней и повысить равномерность вращения выходного вала.

Двигатель работает следующим образом: в корпусе 1 вращающийся с большей скоростью один из поршней 4 открывает впускные окна 6, имеющие большую угловую протяженность по сравнению с выпускными окнами 8 в направлении вращения поршней и снабженные золотниками 7, позволяющими изменять степень сжатия в широких пределах, обеспечивая этим многотопливность двигателя, через которые поступает в увеличивающийся объем преимущественно воздух, затем, в результате изменения передаточного отношения механизма синхронизации 13, угловая скорость быстро двигавшегося поршня 4 уменьшается, а замедленно двигавшегося возрастает, в результате ускоренно двигающийся поршень, одной из своих лопастей 9 отсекает поступивший в корпус воздух и сжимает его между лопастями 9 первого и второго поршней, при минимальном угловом расстоянии между лопастями угловая скорость их приблизительно одинакова и при этом сжатый объем воздуха сообщается с полостью, в которую выходят сопла топливной форсунки и электроды свечи зажигания, в этот момент впрыскивается горючее и происходит его воспламенение, расширяющиеся продукты сгорания, контактируя с тороидальной поверхностью корпуса 1, имеющей наименьшую тепловоспринимающую площадь, воздействуют на лопасть 9 поршня 4, перемещающуюся с увеличивающейся угловой скоростью, при этом обеспечивается согласование закона изменения объема камеры расширения 3 с законом естественного росширения газа за счет параболического профиля зубчатых колес переменного радиуса 14 механизма синхронизации 13, лопасть 9 поршня 4 в конце расширения открывает выпускные окна 8, имеющие меньшую угловую протяженность по сравнению с впускными, что обеспечивает повышение степени расширения газа в рабочем объеме и увеличение эффективности двигателя. Через выпускные окна 8 отработавшие газы вытесняются из корпуса при ускорении следующего поршня 4 в сопло газового эжектора системы воздушного охлаждения, просасывая охлаждающий воздух между ребрами 2, расположенными в направлении вращения поршней 4 и образующими пассивное сопло газового эжектора 5, что способствует наиболее полному использованию энергии рабочего тела и повышению эффективности двигателя, создаваемый при этом крутящий момент передается потребителю через промежуточный вал механизма синхронизации 13 либо через водило дифференциальной зубчатой передачи 17, соединяющей каждый из валов 12 поршней 4, что обеспечивает равномерное вращение выходного вала отбора мощности 15 двигателя и идентичностъ законов движения поршней 4.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий: -средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в производстве двигателей внутреннего сгорания; -для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов; -средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Роторный двигатель, содержащий корпус, снабженный ребрами для воздушного охлаждения, имеющий впускные и выпускные окна с расположенными в нем поршнями, выполненными в виде по меньшей мере двух противоположно расположенных секторов, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной относительной скоростью, и установленными на соосно расположенных валах, соединенных механизмом синхронизации, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса и вал отбора мощности, отличающийся тем, что ребра охлаждения расположены на поверхности камеры расширения в направлении движения поршней, образующими канал газового эжектора системы воздушного охлаждения двигателя.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что впускные окна выполнены в виде дугообразных щелей переменного сечения, снабженных золотниками, расположенными в стенке, и имеют преимущественно большую протяженность по сравнению с выпускными окнами в направлении вращения поршней.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая полость корпуса выполнена в виде полутора, а поршни в виде секторов дискообразной формы с тороидальными образующими, в которых выполнены канавки с возможностью установки в них уплотнительных сегментов поршневых колец.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на торцевые поверхности сегментных лопастей поршней установлено по меньшей мере по одному уплотнительному диску, вращающемуся вместе с валами, а уплотнение установлено между внутренней поверхностью дисков и торцами сопряженных секторов.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что узлы поршней с выходными пазами выполнены унифицированными и установлены во взаимно противоположных торцевых частях корпуса.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что зубчатые колеса двухступенчатого механизма синхронизации выполнены симметричными и имеют профиль, образованный параболой второго порядка в зависимости от угла в пределах каждой половины полного оборота.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал отбора мощности соединен с промежуточным валом механизма синхронизации.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал отбора мощности соединен с водилом зубчатой дифференциальной передачи, соединяющей каждый из валов, на которых вращаются поршни.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3