Роторно-лопастной двигатель и механизм преобразования колебательно-угловых движений ротара во вращение выходного вала
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Роторно-лопастной двигатель предназначен для работы в качестве двигателя внутреннего сгорания и содержит неподвижный корпус с перемычками, внутренняя полость которого образована телом вращения, ротор с лопастями, коаксиальный внутренней полости корпуса, впускные и выпускные клапаны, последние из которых расположены на корпусе, механизм преобразования колебательно-угловых движений ротора, системы запуска, топливоподачи, смазки и уплотнений. Выпускные клапаны установлены внутри полостей перемычек, а впускные клапаны - на полых лопастях ротора и выполнены в виде дроссельных заслонок, совершающих отклонения вокруг осей, закрепленных на кронштейнах ротора и имеющих уплотнение в виде уплотнительных планок и лабиринтных уплотнений на торцевых кромках дроссельных заслонок. Ротор выполнен с возможностью совершения колебательно-угловых движений в ограниченном перемычками корпуса секторе. Впуск воздуха выполнен через полый ротор, полые лопасти ротора и впускные клапаны. Снижается тепловая нагруженность узлов двигателя, увеличивается его долговечность и наполняемость камер рабочим телом, обеспечивается возможность работы на любом виде топлива. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, пневмодвигателям, компрессорам, насосам и другим устройствам.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому техническому результату, выбранным в качестве прототипа к первому заявляемому устройству, является поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания и механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней (RU Заявка №2004136086/06, МПК F02B 53/00 (2006.01)).
Поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр статора с перегородками, внутри которых расположен вал с лопастями-поршнями, боковые стенки, прилегающие к лопастям-поршням и образующие герметичные с изменяющимися объемами камеры, и механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика. Лопасти-поршни имеют полости для подвода охлаждающей жидкости. Полости лопастей-поршней через каналы вала соединены с системой охлаждения цилиндра с возможностью автоматического регулирования количества подаваемой жидкости на охлаждение цилиндра и лопастей-поршней в зависимости от режима работы двигателя. Механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика содержит зубчатое колесо, установленное на валу с лопастями-поршнями двигателя внутреннего сгорания, две шестерни, имеющие ограниченное число зубьев на части своего периметра и периодически вступающие в зацепление с зубчатым колесом. Одна из шестерен соединена с маховиком. Шестерни вне зоны ширины зубчатого кольца имеют полное число зубьев и находятся в постоянном зацеплении между собой.
Недостатками прототипа являются сложность конструкции узлов и устройства в целом, теплонапряженность ротора и лопастей, малая наполняемость камер рабочим телом, недолговечность работы уплотнений и устройства в целом, а также невозможность работы на любом виде топлива.
Наиболее близким техническим решением ко второму заявленному техническому решению, выбранному в качестве прототипа, является силовой механизм (RU 2292462 С1, 27.01.2007, F01C 1/063).
Силовой механизм установлен в корпусе и выполнен в виде кривошипно-ползункового механизма, содержащего ползун, установленный в направляющих с возможностью возвратно-поступательного перемещения и сочлененный с кривошипами, установленными на валу ротора с одной стороны и на валу двигателя с другой стороны.
Недостатком конструкции являются сложность механизма, недолговечность и затрудненные условия для работы ползуна. Силовой механизм не позволяет изменять степень сжатия и расширения двигателя внутреннего сгорания.
Задачей заявленных изобретений является снижение тепловой нагруженности узлов роторно-лопастного двигателя, увеличение его долговечности и наполняемости камер рабочим телом, придание возможности работы на любом виде топлива за счет создания упрощенных конструкций двигателей разнообразных циклов и механизма преобразования, отвечающих поставленным условиям.
Эта задача достигается в роторно-лопастном двигателе, предназначенном для работы в качестве двигателя внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с перемычками, внутренняя полость которого образована телом вращения, ротор с лопастями, коаксиальный внутренней полости корпуса, впускные и выпускные клапаны, последние из которых расположены на корпусе, механизм преобразования колебательно-угловых движений ротора, системы запуска, топливоподачи, смазки и уплотнений, согласно изобретению выпускные клапаны установлены внутри полостей перемычек, а впускные клапаны - на полых лопастях ротора и выполнены в виде дроссельных заслонок, совершающих отклонения вокруг осей, закрепленных на кронштейнах ротора и имеющих уплотнение в виде уплотнительных планок и лабиринтных уплотнений на торцевых кромках дроссельных заслонок, при этом ротор выполнен с возможностью совершения колебательно-угловых движений в ограниченном перемычками корпуса секторе, причем впуск воздуха выполнен через полый ротор, полые лопасти ротора и впускные клапаны.
Кроме того, ротор дополнительно имеет полые лопасти, направленные к оси вращения ротора, с размещенными на них клапанами, при этом корпус дополнен внутренней цилиндрической частью, имеющей перегородки, оснащенные клапанами, образующей с ротором и его внутренними лопастями внутренний каскад двигателя, работающий как компрессор.
Кроме того, клапаны, расположенные на лопастях ротора выполнены управляемыми приводом.
Эта задача достигается и в механизме преобразования, предназначенном для преобразования колебательно-угловых движений ротора во вращение выходного вала, содержащем кривошип, согласно изобретению кривошип установлен поперек оси вращения ротора, эксцентрик кривошипа выполнен входящим роликом в зацепление с продольным параллельным оси ротора пазом, выполненным на одном из концов ротора или в кронштейне, жестко присоединенном к торцу ротора, при этом длина паза не меньше диаметра вращения ролика эксцентрика и ширина паза равна диаметру ролика с учетом технологического зазора.
Кроме того, механизм преобразования включает механизм раскрытия эксцентрика, обеспечивающий принудительное изменение радиуса вращения ролика эксцентрика приводом.
Данный способ подачи рабочего тела позволяет использовать центробежные силы, возникающие при колебательно-угловом движении ротора в полостях лопастей ротора для создания избыточного давления рабочего тела и большего наполнения камер без применения дополнительных устройств. Также рабочее тело в предлагаемом двигателе является охладителем для окружающих узлов или деталей, например воздух, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания, охлаждает ротор, лопасти и самодействующие впускные клапана, установленные на полых лопастях.
Использование предложенного устройства для данного способа подачи рабочего тела в разнообразных конструктивных схемах проиллюстрировано чертежами, на которых схематически представлены:
на фиг.1 изображен общий вид рабочей части роторно-лопастного двигателя;
на фиг.2 показана схема роторно-лопастного двигателя в виде поперечного разреза корпуса;
на фиг.3 показана перемычка корпуса, сечение I-I на фиг.2;
на фиг.4 показан выпускной золотниковый клапан, сечение II-II на фиг.2;
на фиг.5 показано выпускное окно перемычки, элемент III на фиг.2;
на фиг.6 изображена установка перекрывных клапанов на лопастях ротора;
на фиг.7 изображен фронтальный вид перекрывного клапана, вид А на фиг.6;
на фиг.8 показана кинематическая схема силового механизма преобразования колебательно-углового движения ротора во вращение кривошипа и обратно с механизмом раскрытия эксцентриков;
на фиг.9 показан паз ротора, сечение I-I на фиг.8;
на фиг.10 показан вариант геометрии паза, вид А на фиг.8;
на фиг.11 показана схема каскадного роторно-лопастного двигателя с одним ротором в виде поперечного разреза корпуса;
Пример 1. Роторно-лопастной двигатель (фиг.1) состоит из неподвижного корпуса 1 с внутренней полостью, образованной телом вращения, включающего две диаметрально противоположные относительно оси внутренней полости корпуса 1, полые внутренние перемычки 2 с установленными в них выпускными золотниковыми клапанами 3. Золотниковые клапана 3 (фиг.2) предназначены для принудительного открытия/закрытия выпускных технологических окон 4 (фиг.3) с обеих сторон перемычек 2, представляют собой цилиндры со сферическими рабочими частями 5 (фиг.4). Выпускные отверстия в рабочих частях золотниковых клапанов 5 выполнены в виде группы отверстий 6, имеющих фаски/закругления с наружной стороны. Компрессионные кольца 7 (фиг.5) выполнены с наружной косой фаской, позволяющей при контакте с косыми фасками 8 перемычек 2 за счет распорного напряжения колец и давления рабочего тела создавать силу, прижимающую кольца 7 к рабочей части золотниковых клапанов 5. Смазка поверхностей золотниковых клапанов 5, контактирующих с уплотнительными компрессионными кольцами 7, осуществляется блоками валиков 9 (фиг.4) выполненных из сухо-смазочных материалов, например графитосодержащих. Охлаждение золотниковых клапанов 3 осуществляется сжатым воздухом, направляемым соплами на их поверхности. Золотниковые клапана 3 управляются электромеханическим приводом газораспределительного механизма 10. Роторно-лопастный двигатель имеет соосный внутренней полости корпуса 1 полый ротор 11, установленный с возможностью совершения колебательно-углового движения, с двумя внешними, жестко закрепленными поперечно угловому движению ротора 11, полыми лопастями 12, делящими совместно с перемычками 2 межкорпусно-роторную полость на четыре камеры изменяемых объемов. Периферийная конфигурация лопастей 12 эквидистантна (соответствует) внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.6) и в радиально-осевом сечении имеет форму усеченной окружности (фиг.7), а с обеих сторон лопастей 12 установлены самодействующие перекрывные клапаны 13. Перекрывной клапан 13 имеет поперечную ось вращения 14 установленную на кронштейне 15, закрепленном в районе сквозных пазов 16 выполненных в роторе 11. Седлом для перекрывного клапана 13 служат ограничительно-уплотнительная планка 17 и зазор между наружной кромкой перекрывного клапана 13 с выполненным на ней лабиринтным уплотнением 18 и внутренней поверхностью корпуса 1. Перекрывной клапан 13 имеет разницу площадей от оси вращения 14, обеспечивающую ему неразрушающее и достаточное усилие для отклонения относительно своей оси при наличии перепада давления. Роторно-лопастной двигатель имеет механизм преобразования колебательно-угловых движений ротора 19 во вращение выходного вала 20. Механизм преобразования 19 состоит из кривошипа 21 (фиг.8), установленного поперек оси вращения ротора 11. Эксцентрик 22 кривошипа 21 входит роликом 23 в зацепление с продольным, параллельным оси ротора 11 пазом 24, выполненным на одном из концов ротора 11 или в кронштейне, жестко присоединенном к торцу ротора 11. Длина паза 24 (фиг.9) не менее диаметра вращения ролика 23. Ширина паза 24 (фиг.10) равна диаметру ролика 23. Механизм раскрытия эксцентрика 22 обеспечивает принудительное изменение радиуса вращения ролика 23 эксцентрика 22 от R1 до R2 в механизме преобразования 19 при помощи электромеханического привода 25, смещающего внутренний ползун кривошипа 26 вдоль оси вращения кривошипа 21 на величину L. Роторно-лопастной двигатель включает необходимые системы впуска воздуха и выпуска отработавших газов, запуска с маховиком, топливоподачи, смазки, охлаждения и уплотнительные элементы (не показаны, т.к. широко известны).
Роторно-лопастной двигатель работает следующим образом. Внутренняя полость ротора 11 имеет сообщение через впускной патрубок с атмосферным воздухом и через прямоугольные пазы 16 с полыми лопастями 12, оснащенными самодействующими клапанами 13. Привод газораспределительного механизма 10, управляющий выпускными клапанами 3, организует последовательное сообщение камер изменяемых объемов с выхлопной системой роторно-лопастного двигателя. При «раскрутке» стартером маховика и выходного вала 20 механизма преобразования 19 роторно-лопастного двигателя, ротор 11 начинает совершать колебательно-угловые движения, сообщаемые ему механизм преобразования 19, при этом в двух противолежащих камерах изменяемых объемов происходит уменьшение объемов до минимума с одновременным увеличением объемов в двух других камерах. В первом такте атмосферный воздух через самодействующий клапан 13, установленный на лопасти 12 ротора 11, попадает в камеру, в которой в данный момент создается разрежение. Во втором такте ротор 11 лопастью 12 в этой камере производит сжатие поступившей порции воздуха, в которую в конце такта сжатия впрыскивается топливо через форсунку высокого давления 27, установленную на корпусе 1 в районе перемычки 2. От высокого давления и температуры топливовоздушная смесь воспламеняется и в третьем такте высоким давлением расширяющихся газов производит рабочий ход. В четвертом такте в данной камере производится выпуск отработавших газов через выпускной клапан 3 в выхлопную систему роторно-лопастного двигателя. Такие же циклы происходят последовательно в каждой из четырех камер роторно-лопастного двигателя. Последовательность тактов в камерах роторно-лопастного двигателя регулируется срабатыванием выпускных клапанов 3 и моментами подачи топлива через форсунки высокого давления 27. Охлаждение ротора 11, лопастей 12 и клапанов 13, установленных на лопастях 12, осуществляется атмосферным воздухом, проходящим через них, а корпус 1 имеет воздушную или жидкостную системы охлаждения.
Эта конструкция обеспечивает роторно-лопастному двигателю 4-тактный термодинамический цикл в режиме самовоспламенения или принудительного воспламенения топливовоздушной смеси (при использовании дополнительных систем воспламенения топливовоздушной смеси, например свечей зажигания).
Пример 2. 2-тактный роторно-лопастной двигатель-компрессор выполнен по каскадной схеме (фиг.11) и дополнительно к конструкции роторно-лопастного двигателя для продувки и наполнения камер изменяемых объемов использует встроенный компрессор, организованный за счет выполнения полого ротора 28, имеющего не только две внешние полые лопасти 29 с установленными на них с обеих сторон самодействующими перекрывными клапанами 13, но и две внутренние полые лопасти 30, жестко закрепленные напротив лопастей 29 и оборудованные с обеих сторон самодействующими перекрывными клапанами 31. При этом, корпус 1 дополняется внутренней цилиндрической частью 32 с двумя полыми перемычками 33, с установкой на каждой перемычке 33 с двух сторон самодействующих впускных клапанов 34. Внутренние лопасти 30 ротора 28 и перемычки 33 внутренней цилиндрической части 32 корпуса 1 делят внутреннюю цилиндрическую полость 2-тактного роторно-лопастного двигателя-компрессора на четыре камеры изменяемых объемов.
2-тактный роторно-лопастной двигатель-компрессор работает следующим образом. Внутренняя полость 35 внутренней цилиндрической части 32 корпуса 1 имеет сообщение через впускной патрубок с атмосферным воздухом и полостями полых перемычек 33. При «раскрутке» стартером маховика и выходного вала механизма преобразования 2-тактного роторно-лопастного двигателя-компрессора, ротор 28 начинает совершать колебательно-угловые движения, сообщаемые ему механизмом преобразования, при этом во внутреннем контуре 2-тактного роторно-лопастного двигателя-компрессора в двух противолежащих камерах изменяемых объемов происходит уменьшение объемов до минимума с одновременным увеличением объемов в двух других камерах. Внутренний каскад 2-тактного роторно-лопастного двигателя-компрессора, используя установку самодействующих клапанов 34 и 31 с организацией их пропускной способности воздуха в направлении к внешним камерам изменяемых объемов 2-тактного роторно-лопастного двигателя-компрессора, осуществляет компрессорный цикл, подавая при каждом такте порции сжатого воздуха в предклапанные полости ротора 28. Создаваемое в предклапанной полости лопастей 29 высокое давление воздуха в первом такте выпуска отработавших газов из камеры внешнего контура 2-тактного роторно-лопастного двигателя-компрессора, за счет разности давления открывает самодействующий клапан 13, установленный на внешней лопасти 29 и в начале первого такта начинает продувать камеру и заполнять ее порцией сильно сжатого воздуха. После закрытия в конце первого такта выпускного клапана 3 и подачи в камеру топлива через форсунку высокого давления 27 - оно воспламеняется свечой зажигания 36 и осуществляется рабочий ход второго такта. Эта схема обеспечивает 2-тактному роторно-лопастному двигателю-компрессору 2-тактный термодинамический цикл в режиме принудительного воспламенения топливовоздушной смеси.
Бортовой компьютер и/или механика управляются электрикой, приводными механизмами, топливоподающей аппаратурой и другими поддерживающими процесс системами в вышеприведенных примерах, а применяемая система охлаждения - воздушная или жидкостная.
Благодаря новой совокупности существенного признака технических решений, а так же предложенных узлов и механизмов, разнообразные схемы двигателей, компрессоров, в том числе каскадные и секционные, включающие описанные признаки роторно-лопастных двигателей (Пример 1, Пример 2), обладают преимуществами над известными техническими устройствами из-за:
- охлаждения ротора, лопастей и клапанов рабочим телом, прокачиваемым через полости ротора, лопастей и клапана, установленные на них;
- повышенного заполнения камер рабочим телом, нагнетаемым центробежной силой создаваемой в полостях лопастей при колебательно-угловом движении ротора, а также конструкцией описанных перекрывных клапанов;
- отсутствия износа между лопастями и корпусом, а также исключение необходимости в смазке обозначенных мест, из-за применения лабиринтных (гребенчатых) уплотнений (увеличенный ресурс, исключение необходимости прогрева роторно-лопастного двигателя);
- снижения охлаждения корпуса, с соответствующим улучшением условий протекания термодинамического цикла предоставляемых при использовании вышеприведенного технического решения;
- естественной рециркуляции отработавших газов, приводящей к увеличению октанового числа топливовоздушной смеси, а также большей полнотой сгорания подаваемого топлива (экология);
- возможности изменения степени сжатия и расширения отработавших газов описанным механизмом преобразования колебательно-угловых движений ротора во вращение выходного вала с механизмом раскрытия эксцентриков;
- получения схем, обеспечивающих предлагаемым конструкциям малые габариты и вес по сравнению с аналогами равной мощности;
- увеличенного КПД установок, не содержащих кривошипно-шатунного механизма и распредвала с общеприменяемыми клапанами, при применении описанных технических решений.
Заявленные технические решения и представленные элементы взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно удовлетворяют требованию единства изобретения. Использование заявленных технических решений в роторно-лопастных двигателях позволяет решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата - снижение тепловой нагруженности узлов роторно-лопастного двигателя, увеличение его долговечности и наполняемости камер рабочим телом, придание возможности работы на любом виде топлива и упрощение конструкции.
1. Роторно-лопастной двигатель, предназначенный для работы в качестве двигателя внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с перемычками, внутренняя полость которого образована телом вращения, ротор с лопастями, коаксиальный внутренней полости корпуса, впускные и выпускные клапаны, последние из которых расположены на корпусе, механизм преобразования колебательно-угловых движений ротора, системы запуска, топливоподачи, смазки и уплотнений, отличающийся тем, что выпускные клапаны установлены внутри полостей перемычек, а впускные клапаны - на полых лопастях ротора и выполнены в виде дроссельных заслонок, совершающих отклонения вокруг осей, закрепленных на кронштейнах ротора и имеющих уплотнение в виде уплотнительных планок и лабиринтных уплотнений на торцевых кромках дроссельных заслонок, при этом ротор выполнен с возможностью совершения колебательно-угловых движений в ограниченном перемычками корпуса секторе, причем впуск воздуха выполнен через полый ротор, полые лопасти ротора и впускные клапаны.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор дополнительно имеет полые лопасти, направленные к оси вращения ротора, с размещенными на них клапанами, при этом корпус дополнен внутренней цилиндрической частью, имеющей перегородки, оснащенные клапанами, образующей с ротором и его внутренними лопастями внутренний каскад двигателя, работающий как компрессор.
3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что клапаны, расположенные на лопастях ротора, выполнены управляемыми приводом.
4. Механизм преобразования, предназначенный для преобразования колебательно-угловых движений ротора во вращение выходного вала, содержащий кривошип, отличающийся тем, что кривошип установлен поперек оси вращения ротора, эксцентрик кривошипа выполнен входящим роликом в зацепление с продольным параллельным оси ротора пазом, выполненным на одном из концов ротора или в кронштейне, жестко присоединенном к торцу ротора, при этом длина паза не меньше диаметра вращения ролика эксцентрика и ширина паза равна диаметру ролика с учетом технологического зазора.
5. Механизм преобразования по п.4, отличающийся тем, что включает механизм раскрытия эксцентрика, обеспечивающий принудительное изменение радиуса вращения ролика эксцентрика приводом.
