роторно-поршневой двигатель с оппозитными процессами циклов

Формула изобретения

Четырехтактный роторно-поршневой двигатель, состоящий из корпуса, одноступенчатого коленчатого вала и свободно вращающегося на шейке его кривошипа ротора в полости квадратичной камеры, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен в виде двух элементов замкнутых перегородок квадратичного типа, входящих одна в другую, а также замыкающих их двух торцевых крышек, которые обжимают эти перегородки, при этом полость, образованная малой замкнутой перегородкой, служит рабочей камерой, а полость между перегородками служит рубашкой водяного охлаждения, причем сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в перепускных трубчатых камерах сгорания, находящихся в рубашке водяного охлаждения и замыкающих карманы клапанов нагнетания и рабочего хода.

Описание изобретения к патенту

Конструкция двигателя относится к комплектации в качестве основного привода преимущественно на автомобильном транспорте, а также на других видах транспортных средств, и на оборудовании в промышленности для добычи или переработки сырья.

Известно о существовании аналога-роторно-поршневой двигатель 12А, созданный в 1957 г. Ф.Ванкелем и фирмой “Мазда” мощностью 80 кВт при 6000 об/мин (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и карбюраторных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 288 с.).

К совокупности существенных признаков аналога можно отнести следующие показатели:

1. Конструкция двигателя имеет условное горизонтальное расположение вала с двумя полыми роторами на его эксцентриках, развернутых друг относительно друга в параллельных плоскостях вращения на 180.

2. Корпус двигателя состоит из двух эпитрохоидных элементов и встроенной между ними проставки, а также из двух закрывающих торцевых крышек, образующих в параллельных плоскостях две рабочие камеры.

3. На наружных поверхностях торцевых крышек корпуса и проходящих там же концах вала имеются устройства зубчатых зацеплений с передаточным отношением 3:2, что, в свою очередь, обеспечивает заданное планетарное вращение роторов и вращение эксцентриков с передачей крутящего момента на вал отбора мощности.

4. Планетарно-поступательное вращение вершин обоих роторов и соединяющие их выпуклые поверхности создают условия для образования сегментных полостей в рабочих камерах со слабо искаженными формами и изменяющимися объемами, а также их перемещения в сторону вращения вала.

5. При исследовании аналога было обнаружено, что внутренняя поверхность любой одной из двух рабочих камер определяется вращением вершин ротора в системе координат XOY по следующим формулам:

Xn=Rcos(n+Z120)+rcos(180+n);

Yn=Rsin(n+Z120)+rsin(180+n);

где Хn - координаты точки на оси абсцисс;

Yn - координаты точки на оси ординат;

R=5r - расстояние от центра до вершины ротора;

r - межосевое расстояние на эксцентрике вала;

n - угловое перемещение ротора;

n=3n - угловое перемещение кривошипа;

Z=0; 1; 2 - значение для вершин А, В, С;

n - задаваемые точки.

6. Наружная поверхность ротора на участке АВ определяется в системе координат Х’О’У’ за счет контакта с неподвижной точкой вершины выступа рабочей камеры, лежащей на расстоянии F по оси ОХ. В результате вращения ротора можно определить координаты исследуемых точек по следующим формулам:

X’n=F-rcos(180+n);

Y’n=-rsin(180+n),

где Х’n, Y’n - координаты задаваемых точек;

F=4r.

Формулы построения трех поверхностей ротора по полученным расчетным точкам имеют вид

где Pn=(3-5)r - предел значения параметров точек от центра до поверхности ротора;

n=0-120 - участок АВ, Z=0;

n=120-240 - участок ВС, Z=1;

n=240-360 - участок СА, Z=2.

7. Работа газораспределительного устройства определяется перекрытием отверстий окон в рабочей камере поверхностями ротора для подводящих, перепускных и отводящих каналов.

8. Сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в перекрестно-перепускных каналах проставки, которые циклически связаны с однорядными половинами одних рабочих камер с другими, при воздействии электрических разрядов на встроенных свечах зажигания. Процесс горения в каждом цикле сопровождается ростом давления в камере сгорания с переходом его в рабочую камеру, что обеспечивает рабочий ход.

9. Однорядно протекающие цикловые процессы создают режим работы двигателя в условиях 4-х тактного 4-х цилиндрового поршневого двигателя.

10. Улучшение динамической характеристики за счет отсутствия вращающихся масс у двигателя аналога позволит получить повышение максимальных оборотов на основном валу при сравнении с обычными поршневыми двигателями карбюраторного типа.

11. Система охлаждения внутренних поверхностей роторов, подшипниковых элементов и внутренних полостей рабочих камер обеспечивается протяжкой охлаждающего воздуха. Охлаждение наружных поверхностей рабочих камер и камер сгорания в проставке обеспечивается водоциркуляционной системы охлаждения.

К совокупности существенных признаков роторно-поршневого двигателя с оппозитными процессами циклов можно отнести:

1. Конструкция двигателя имеет вертикальное расположение вала в основном корпусе, где на шатунной шейке кривошипа установлен один свободно вращающийся тороидальный ротор.

2. Конструкцию корпуса составляют два элемента замкнутых перегородок квадратичного типа, входящие одна в другую, а также замыкающие их две торцевые крышки, которые обжимают эти перегородки. Полость, образованная малой замкнутой перегородкой, служит рабочей камерой, а полость между перегородками служит рубашкой водяного охлаждения. В центральной части оси крышек располагаются сквозные цилиндрические гильзы для подшипников скольжения и прилегающие к ним по окружности сквозные каналы для воздушного охлаждения внутренних поверхностей ротора и рабочей камеры, а также для охлаждения основного вала и его подшипников скольжения. Полые части крышек служат для распределения и сбора охлаждающей жидкости рубашки водяного охлаждения.

3. Работа предлагаемого двигателя обеспечивается обратнопоступательным планетарным вращением ротора в квадратичной полости рабочей камеры, которая условно делится на две части группирующихся цикловых процессов, располагающихся оппозитно, т.е. друг против друга на 180. При этом планетарное вращение ротора будет обеспечено обкатыванием вершинами ротора по впадинам внутренней поверхности рабочей камеры, с передаточным отношением 3:4.

4. Обратнопоступательное вращение ротора в полости рабочей камеры создает условия для образования сильно искажаемых сегментных полостей с изменяющимися объемами, которые имеют перемещение в сторону, обратную вращению вала двигателя. В перепускных трубчатых камерах сгорания перемещение газовых потоков будет направлено в сторону вращения основного вала.

5. При теоретической разработке предлагаемого двигателя было обнаружено, что внутренняя поверхность рабочей камеры определяется вращением вершин ротора в системе координат XOY по следующим формулам:

Xn=Rcos(n+Z120)+rcos(180-n);

Yn=Rsin(n+Z120)+rsin(180-n);

где Xn - координаты точки на оси абсцисс;

Yn - координаты точки на оси ординат;

R=5r - расстояние от центра до вершины ротора;

r - межосевое расстояние на эксцентрике вала,

n - угловое перемещение ротора;

n=3n - угловое перемещение кривошипа;

Z=0; 1; 2 - значения для вершин А, В, С;

n - номер задаваемой точки.

6. Наружная поверхность ротора определяется по условию предварительно заданным точкам в первом квадранте системы координат X’О’Y’ для верхней половины участка АВ по формулам

X’к=r[19соs(_к:13,664)-16+0,005sin(180tg(1,4255k+0,032k²))];

Y’к=r[19sin(_к:13,664)+0,6sin_к],

где Х’к и Y’к - координаты задаваемых точек;

19 - коэффициент радиального удаления центра построения;

_к - задаваемый угол построения от 0 до 180, который определяется из условия _к=k, где к - номер задаваемой точки и k - величина прямо пропорциональна ей 0-30, а - шаг между двумя соседствующими точками исходного радиуса и будет соответствовать 6;

13,664 - коэффициент концентрации поверхности построения;

16 - коэффициент компенсации удаления центра построения.

Полученные значения используем для построения поверхности ротора через угловые координаты и радиальное удаление

Координаты второй половины поверхности ротора в четвертом квадранте для Х’к остаются прежними, а для Y’к будут при k=0-(-30) противоположно отрицательными. Для создания формул, определяющих положение всех заданных точек поверхности ротора с учетом его вращения в рабочей камере, введем Р_к и _к в формулы п.5

Х_nк=Р_к cos(_к-_n)+r cos_n;

Y_nк=Р_к sin(_к-_n)+r sin_n.

7. Работу газораспределительного устройства обеспечивает система из восьми рычажно-поворотных клапанов, расположенных в карманах замкнутой перегородки рабочей камеры, которые приводятся в движение от воздействия вращающегося трехкулачкового распределительного диска, установленного на противоположном конце вала отбора мощности.

8. Сжигание сжатой воздушно-топливной смеси осуществляется в двух перепускных трубчатых камерах сгорания, находящихся в рубашке водяного охлаждения, концы которых замыкают карманы клапанов нагнетания и рабочего хода.

9. В предлагаемом РПД вращение ротора при контакте его наружной поверхности с внутренней границей полости рабочей камеры будет образовывать искаженные полости и определять оппозитное расположение создаваемых процессов с протеканием пяти циклов, что, в свою очередь, обеспечит работу двигателя в режиме 4-х тактного пятицилиндрового поршневого двигателя.

10. Улучшенная динамическая характеристика данного двигателя позволит получить значительное снижение оборотов на холостом ходу с сокращением расхода топлива и значительное повышение оборотов в рабочем режиме.

11. Система охлаждения двигателя будет аналогичной, за исключением значительного увеличения процесса отвода тепла с поверхностей трубчатых камер сгорания.

12. Ожидаемый ресурс наработки предлагаемого двигателя при сравнении с аналогом будет продолжительнее более чем в 2 раза по следующим причинам:

а) отсутствие зубчатой передачи для вращения ротора;

б) уменьшение давления по торцевым поверхностям ротора в 2 раза, т.к. вместо двух роторов используется один;

в) уменьшение трения скольжения наружных поверхностей ротора по внутренней поверхности рабочей камеры;

г) возможность снижения давления в 2 раза на радиально-уплотнительные пластины по причине отсутствия отрицательного радиального ускорения, создающего условия отрыва их от поверхности скольжения;

д) снижение износа наружных поверхностей ротора, внутренних и торцевых поверхностей рабочей камеры, а также торцевых и радиальных уплотнений в связи с вышеперечисленными причинами в 2 раза.

На фиг.1 изображено планетарное движение вершин ротора, определяющих траекторию внутренней поверхности рабочей камеры в системе координат ХОУ с их общим центром. При этом угловое перемещение кривошипа рассмотрено от 0 до 360 с интервалом в 15 и описано по следующим формулам:

Xn=Rcos(n+Z120)+rcos(180-n);

Yn=Rsin(n+Z120)+rsin(180-n),

где Xn - координаты точки на оси абсцисс;

Yn - координаты точки на оси ординат;

R=5r - расстояние от центра до вершины ротора;

r - межосевое расстояние центра вала и ротора;

n - угловое перемещение ротора;

n=3n - угловое перемещение кривошипа;

Z=0; 1; 2 - значение для вершин А, В, С;

n - задаваемые точки.

Дальнейшее движение вершин А, В, С по исследуемым точкам во всех следующих четвертях будет аналогичным.

На фиг.2 изображено построение наружной поверхности ротора между вершинами A и B в системе координат Х’О’Y’. При этом задаем условия

f_ху=f’_ху+f’_ху,

где f_x=f’_x+f’_x, f_y=f’_y+f’_y;

f’_xу - задаваемая функция;

f’_xу - приращение к задаваемой функции;

f’_x=r[19cos(_к:13,664)-16];

f’_y=r l9sin(_к:13,664);

f’_x=r 0,005sin(180tg(1,4255k+0,032k²));

f’_y=r 0,6sin_к.

Полученные результаты были использованы при построении всех трех поверхностей и проверены при планетарном вращении в рабочей камере анимационным методом на экране компьютера по программе TFLEX-CAD-2D.

На фиг.3 изображена мультипликация процессов одного полного цикла в оппозитном роторно-поршневом двигателе. Т.к. процесс протекания цикла происходит в одной половине квадратичной плоскости рабочей камеры, то для наглядности другую половину можно не рассматривать по причине повторяемости всех процессов, которые будут повернуты на 180 относительно рассматриваемой полости.

В данной мультипликации видны следующие процессы по нумерации окон:

1-6 - процесс всасывания воздушно-топливной смеси;

6-9 - процесс сжатия воздушно-топливной смеси;

9-11 - процесс проталкивания в камеру сгорания;

11-16 - процесс сжигания и рабочий ход;

16-21 - процесс выталкивания отработанного газа.

В данной мультипликации один полный цикл составляет 2,5 оборота основного вала и соответствует 900 углового перемещения кривошипа. При этом угловое перемещение вершин ротора за цикл относительно оси координат центра камеры составит 300. Учитывая продолжительность полного цикла и чередования их через 0,5 оборота можно сделать заключение о режиме работы данного двигателя, которое определяет количество одновременно участвующих циклов:

m=n_вал: n_чер=2,5:0,5=5,

где n_вал - количество оборотов за цикл;

n_чер - шаг чередования циклов.

Это доказывает, что данный двигатель будет работать в режиме 5-ти цилиндрового поршневого двигателя.

Из соотношений вращении ротора и вала можно определить их передаточное отношение

n_рот=n’_рот+n_об=1/3+1=4/3;

N=n_об:n_рот=3/4,

где n_рот - вращение ротора относительно шейки кривошипа;

n’_рот - вращение ротора в системе координат, равное 1/3 n_об;

n_об - оборот основного вала;

N - передаточное отношение относительно рабочей камеры или неподвижной системы координат XOY.

На фиг.4 изображена конструкция РПД с оппозитными процессами циклов в двух проекциях, где внутренне расположение элементов и деталей продемонстрировано на верхней проекции с фронтальным сечением по оси вала, а в нижней проекции со снятием верхней торцевой крышки корпуса двигателя.

Тороидальный ротор поз.1, из материала ЧХ32, с выполненными в нем проемами для прохождения потока охлаждающего воздуха между объединенными литьем элементами, состоит из обода, радиально-стержневых ребер и центральной втулки наружной обоймы подшипника скольжения. При этом он установлен на шейке кривошипа основного вала поз.2, состоящего из двух элементов материала Ст15Х, где их соединение на границе шейки кривошипа в верхней серьге будет обеспечена крепежно-резьбовым соединением из Ст5. Замкнутая перегородка рабочей камеры поз.3, состоящая из материала ЧХ32, обжатая по торцевым поверхностям в расточках торцевыми крышками поз.6 и 7 корпуса двигателя с применением прокладочно-несгораемого материала поз.41, состоящего из цветного металла.

Торцевые крышки в своей основе по внутренним элементам с прилегающими поверхностями состоят из материала ЧХ32. В полых конструкциях крышек предусмотрено охлаждение нагреваемых сторон, прилегающих к рабочей камере, а также для сбора в одной и распределения потока охлаждающей жидкости в другой полости рубашки водяного охлаждения. Поток охлаждающей жидкости, замкнутый через отводящий и подающий трубопроводы поз.25 и 26 из материала АКЧ, обеспечивает отвод тепла во внешнюю среду. В центральной части каждой торцевой крышки расположено по одной сквозной втулке наружной обоймы подшипника скольжения поз.40 и прилегающие к ним по окружности сквозные каналы поз.4 для обеспечения потока воздуха охлаждения внутренних полостей ротора, рабочей камеры и вала. Ограждение рубашки водяного охлаждения поз.39 обеспечивается замкнутой перегородкой поз.8 из материала АКЧ, обжатой по торцевым поверхностям торцевыми крышками корпуса, а также дисковыми перегородками поз.37 на наружной поверхности, закрывающих торцевые крышки из того же материала, обжатых крепежным соединением поз.30 из Ст40Х. К наружной поверхности нижней торцевой крышки присоединен дополнительный корпус поз.9 из Ст30, для разделения отводимого воздушно-масляного потока из внутренней полости камеры и устройства системы сцепления. В нижней центральной части дополнительный корпус имеет втулочное отверстие для подшипника скольжения ведомого вала, а также крепление рубашки для разделения воздушно-масляного потока поз.21 из Ст30 и отделения и выноса нагретого охлаждающего воздуха через полость коллектора поз.38. Масло, сконденсированное в донной части полости поз.24, отводится по трубке поз.23 в свою систему охлаждения. Из сборочного коллектора очищенный воздух по трубопроводу поз.22 направляется в карбюратор двигателя для утилизации. При этом поступление свежего воздуха происходит через отверстия в защитном кожухе поз.14 и далее через воздушный фильтр поз.11 попадает в систему охлаждения. Движение охлаждающего воздушного потока будет обеспечено за счет вращения основного вала и создаваемого разрежения на тыльной стороне закрепленной ведущей упорной пяты поз.15 с лопаточным оребрением по типу центробежного колеса, с функцией воздушного нагнетателя. Передача вращения под нагрузку будет обеспечиваться в осевом направлении через фрикционный диск поз.16, установленного на ведущей пяте. Ведомая упорная пята поз.17, сблокированная с рычажно-поворотным устройством поз.20, имеет продольное перемещение по шлицам ведомого вала поз.19 из Ст15Х и поджимающей ее пружины поз.18 из стали 60С2.

Оппозитное газораспределение для одновременно происходящих 5-ти цикловых процессов обеспечено рычажно-поворотными устройствами поз.13 из Ст15Х, при воздействии на них трехкулачкового диска поз.12 из Ст15Х, который закреплен на противоположном конце основного вала между воздушным фильтром и верхней торцевой крышки корпуса. При этом работа каждого клапана для всех циклов будет определена по месту их расположения на перегородке рабочей камеры: для всасывания поз.31, для сжатия и нагнетания поз.32, для рабочего хода поз.33 и для выхлопа отработанных газов поз.34.

Выносные трубчатые камеры сгорания поз.27, состоящие из материала ВТЗ-1 или Н70МФ, будут образовывать пространства для сжигания воздушно-топливных смесей. Начала процессов горения воздушно-топливных смесей будет осуществляться при электрических разрядах на свечах зажигания поз.28, установленных по резьбовым соединениям в гнездах камер сгорания.

Получение электроэнергии для собственных нужд будет обеспечено генератором поз.10, который расположен на защитном кожухе во внутреннем пространстве воздушного фильтра.

Запуск РПД предлагается осуществлять стартовым двигателем устанавливаемого с соблюдением герметичности соединения на примыкающем корпусе поз.42 из Ст30 к дополнительному корпусу двигателя. Передача вращения от него к ведущей упорной пяте будет обеспечиваться через промежуточную шестерню поз.43 из Ст40Х. Вал поз.44, жесткосвязаный с промежуточной шестерней, служит для передачи вращения на маслонасос поз.45 системы смазки подшипников скольжения и системы уплотнения ротора в рабочей камере.

На фиг.5 изображен внешний вид силового агрегата в двух проекциях, где 1 - основной корпус двигателя, 2 - дополнительный корпус, 3 - коробка переключения скоростей, 4 - коробка главной передачи, 5 - карбюратор, 6 - стартер, 7 - коллектор подачи воздушно-топливной смеси, 8 - коллектор отводящий отработанные газы.