Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя за счет регулирования степени сжатия. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель, содержит корпус с кольцевой камерой, в которой расположены две пары лопастей, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной скоростью. Лопасти установлены на соосных валах, соединенных с выходным валом механизмом синхронизации, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса. При этом зубчатые колеса механизма синхронизации, закрепленные на валах ротора и выходном валу, взаимодействуют между собой через свободно вращающиеся на оси промежуточные зубчатые колеса переменного радиуса. Согласно изобретению ось выходного вала имеет возможность перемещаться параллельно самой себе вокруг оси промежуточных зубчатых колес, изменяя взаимное расположение выходного вала и оси промежуточных шестерен для изменения степени сжатия двигателя. Степень сжатия двигателя регулируется в широких пределах. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям, точнее к той их разновидности, которые обычно называют роторно-лопастными двигателями (Бирюков Б.Н. От водяного колеса до квантового ускорителя. М.: Машиностроение, 1990, с. 66-68). Принцип действия таких двигателей состоит в следующем. На валах, проходящих по оси цилиндрического корпуса, вращаются два двухлопастных ротора, лопасти которых делят полость корпуса на четыре замкнутых объема. Роторы кинематически связаны между собой специальным механизмом связи (синхронизации), который обеспечивает неравномерность вращения роторов при равномерном вращении выходного вала (вала отбора мощности). При этом замкнутые объемы между лопастями изменяются и в них могут протекать рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (RU патент 2043521, 10.09.95), содержащий корпус с цилиндрической полостью, в которой с образованием камер переменного объема установлены поворотные лопасти, связанные с выходным валом через механизм преобразования движения, имеющий две пары эллиптических зубчатых колес.

Основными недостатками конструкции являются: несоответствие эллиптической формы зубчатых колес условию постоянства межосевого расстояния при вращении вокруг центров симметрии без проскальзывания (в зацеплении), большое значение угла зацепления (угла давления), особенно при значительной (более 40^o) разности хода лопастей, что увеличивает нагрузку в зацеплении, снижает надежность конструкции, ограничивает величину разности хода лопастей, то есть рабочий объем и мощность. Кроме того, в конструкции не предусмотрена возможность регулирования степени сжатия, а цилиндрическая форма рабочей камеры приводит к известным сложностям при устройстве уплотнений.

Известен также роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, наиболее близкий по технической сути к предложенному и принятый за прототип (RU патент 2063526, 10.07.96). Он содержит корпус с рабочей камерой в виде полутора, в которой на соосных валах расположены поршни в виде диаметрально противоположных секторов, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной скоростью благодаря механизму синхронизации, содержащему две пары симметричных зубчатых колес переменного радиуса (параболических). На торцах секторов установлены уплотняющие диски, вращающиеся вместе с валами. Предусмотрена возможность регулирования степени сжатия, ограничивая такт всасывания изменением угловой протяженности впускного окна с помощью золотников.

Причиной, препятствующей получению высокой эффективности двигателя, является ограниченность разности хода лопастей на уровне 40-50^o допустимыми значениями угла зацепления (угла давления) зубчатых колес переменного радиуса в мертвых точках. Кроме того, регулирование степени сжатия для обеспечения многотопливности двигателя ограничением такта всасывания приводит к значительному уменьшению эффективного рабочего объема и мощности при уменьшении степени сжатия. Тороидальная форма рабочей камеры обуславливает сложность технологии изготовления и сравнительно большое значение момента инерции ротора и инерционных сил. Наличие уплотняющих дисков по торцам ротора увеличивает длину линии уплотнения и усложняет форму и технологию изготовления канавок под уплотнения и самих уплотнений. Технологические сложности изготовления параболических зубчатых колес механизма синхронизации не оправдываются термодинамическими преимуществами использования такого профиля.

Задачей данного изобретения является разработка конструкции высокоэффективного, надежного и долговечного двигателя, способного работать на различных видах топлива, имеющего высокие эксплуатационные характеристики и технологичного в изготовлении.

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

Указанная цель достигается тем, что роторно-лопастной двигатель, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой, имеющей впускное и выпускное окна, с расположенными в ней двумя парами лопастей, установленными на соосных валах и имеющими возможность совершать вращательное движение в одном направлении с переменной скоростью, образуя между собой камеры переменного объема в соответствии с 4-х тактным циклом ДВС, имеет механизм связи лопастей с выходным валом двигателя (механизм синхронизации), содержащий овальные зубчатые колеса, два из которых закреплены на соосных валах ротора, а два - на выходном валу двигателя под углом 90^o друг к другу, причем взаимодействие зубчатых колес выходного вала и ротора осуществляется через промежуточные зубчатые колеса переменного радиуса, свободно вращающиеся на оси.

Кроме того, зубчатые колеса вала отбора мощности и ротора идентичны, выполнены симметричными и имеют профиль делительной поверхности, соответствующий условию постоянства межосевого расстояния при вращении без проскальзывания (в зацеплении) с промежуточными зубчатыми колесами.

Кроме того, поверхность вершин зубьев овальных зубчатых колес механизма синхронизации (форма заготовки) и их делительная поверхность образована сопряженными дугами двух окружностей, что упрощает технологию изготовления и обеспечивает возможность достижения необходимой степени точности известными методами доводки зубьев.

Кроме того, промежуточные зубчатые колеса выполнены либо идентичными находящимся с ними в зацеплении, либо в виде эксцентричных круглых с меньшим в два раза числом зубьев по сравнению с находящимися с ними в зацеплении овальными зубчатыми колесами валов ротора и выходного вала.

Кроме того, картер выходного вала выполнен подвижным и может поворачиваться на небольшой угол вокруг оси промежуточных шестерен.

Кроме того, рабочая полость корпуса выполнена в виде сферы с отверстиями для выхода валов ротора, а лопасти - в виде секторов со сферической внешней поверхностью, в которых выполнены канавки с возможностью установки в них уплотнений.

Кроме того, впускное и выпускное окна имеют угловое перекрытие порядка углового размера камеры сжатия (камеры сгорания).

Наличие в механизме синхронизации промежуточных зубчатых колес переменного радиуса значительно увеличивает разность хода лопастей и, следовательно, рабочий объем, и мощность двигателя при допустимых значениях угла зацепления, что обеспечивает надежность и долговечность конструкции. Разность хода лопастей при этом увеличивается вследствие увеличения амплитуды изменения передаточного отношения за счет удвоения ступенчатости механизма синхронизации.

Профиль зубчатых колес переменного радиуса должен обеспечивать постоянство межосевого расстояния при их вращении в зацеплении, то есть без скольжения. Из технологических соображений в случае взаимодействия идентичных зубчатых колес, удобно представить профиль их делительной поверхности в виде равных дуг двух окружностей, сопряженных в точках с радиусом а/2+b/2, где а - большая, b - малая полуось делительной поверхности. Например, при а/b=1,5 радиусы сопрягаемых дуг имеют значения (с точностью до двух значащих цифр) R= 2,5b, r=0,87b. Межосевое расстояние при обкатывании таких кривых, строго говоря, не остается постоянным, а изменяется по известной в математике эпициклоидальной зависимости. Однако при реальном соотношении полуосей менее 1,5 это изменение незначительно и лежит в пределах допустимой степени точности зубчатой передачи. Кроме того, форма зубчатых колес может быть дополнительно скорректирована при доводке зубьев, например обкатыванием эталонным зубчатым колесом большой твердости, шеверованием и т.д. В случае механизма связи с эксцентричными круглыми промежуточными зубчатыми колесами, профиль взаимодействующих с ними овальных зубчатых колес получается технологически при нарезании зубьев методом обкатки эксцентрично посаженным долбяком подходящего размера, однако и в этом случае их профиль, с достаточной для изготовления заготовок и черновой обработки точностью, возможно представить сопряженными дугами двух окружностей. Для примера, при а/b=1,2 R1,36b, R0,86b, радиус делительной окружности долбяка 1,1b, эксцентричность долбяка 0,1b.

Подвижность плоскости выходного вала относительно оси промежуточных шестерен обеспечивает возможность регулирования степени сжатия в широких пределах путем относительно небольшого изменения разности хода лопастей и рабочего объема. Это позволяет использовать различные сорта топлива и обеспечить высокую эффективность и экономичность при различных режимах работы двигателя, уменьшить его токсичность. Изменение разности хода лопастей при этом происходит вследствие уменьшения или увеличения амплитуды изменения передаточного отношения механизма синхронизации за счет отдаления или сближения экстремумов передаточных отношений его ступеней. Например, при разности хода лопастей 54^o и степени сжатия 10 угловой размер камеры сгорания (угол между лопастями при их максимальном схождении) составляет 6^o. Уменьшение разности хода лопастей на 10%, что достигается поворотом плоскости выходного вала в пределах 20^o, приводит к увеличению объема камеры сгорания почти в два раза, и к примерно такому же уменьшению степени сжатия.

Сферическая форма рабочей полости упрощает технологию изготовления элементов двигателя по сравнению с прототипом, особенно уплотнений, уменьшает длину линии уплотнения и момент инерции ротора относительно рабочего объема, что позволяет увеличить частоту вращения при допустимых нагрузках, то есть повысить эффективность и надежность двигателя.

Перекрытие впускного и выпускного окна обеспечивает уменьшение количества остаточных газов и увеличение наполнения рабочей камеры свежим зарядом за счет инерции газов во впускном и выпускном патрубке, что увеличивает удельную мощность и КПД двигателя, уменьшает его токсичность.

На фиг.1 приведен продольный разрез; на фиг.2 - поперечный разрез предложенного двигателя в варианте механизма синхронизации с эксцентричными круглыми промежуточными зубчатыми колесами; на фиг.3 и 4 - соответственно продольный и поперечный разрез механизма синхронизации с овальными промежуточными зубчатыми колесами; на фиг.5 - поперечный разрез рабочей камеры и ротора.

Роторно-лопастной двигатель содержит корпус 1, рабочая полость которого выполнена в виде сферы и имеет впускное 2 и выпускное 3 окна, сделанные с угловым перекрытием (фиг.3). В рабочей полости расположены лопасти 4 со сферическими образующими, в которых выполнены канавки для уплотнений 5. При этом канавки под уплотнения и сами уплотнения представляют собой по форме дуги окружностей, что упрощает технологию их изготовления, уменьшает длину линии уплотнения и количество стыков (замков) в уплотнениях. Лопасти установлены на валах 6 ротора, соединенных с выходным валом 7 механизмом синхронизации, содержащим овальные зубчатые колеса 8, установленные на валах ротора 6 и выходном валу 7, и промежуточные зубчатые колеса переменного радиуса 9, 10, вращающиеся на оси 11. В варианте механизма синхронизации с круглыми эксцентричными промежуточными зубчатыми колесами 9, оси всех трех пар зубчатых колес располагаются в одной плоскости (фиг.2), а в варианте с овальными промежуточными зубчатыми колесами 10 - в перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по оси промежуточных шестерен 11 (фиг.4), что является условием максимальной степени сжатия. Картер 12 выходного вала имеет возможность поворачиваться на небольшой угол вокруг оси 11 промежуточных шестерен, изменяя тем самым взаимное расположение выходного вала и оси промежуточных шестерен при сохранении их межосевого расстояния, что приводит к изменению степени сжатия двигателя. При такой конструкции механизма синхронизации между лопастями 4 ротора образуются камеры переменного объема 13, в каждой из которых за один оборот выходного вала и ротора совершается полный 4-х тактный цикл ДВС. В зоне окончания такта сжатия в стенке рабочей камеры имеется отверстие 14 для запального устройства.

Двигатель работает следующим образом. При равномерном вращении выходного вала 7 в соответствии с переменным передаточным отношением механизма синхронизации, лопасти 4 ротора имеют переменную скорость вращения, что приводит к изменению объема камер 13 между лопастями при их неравномерном вращении в одном направлении. Увеличение объема происходит в зоне расположения впускного окна 2, через которое всасывается свежий заряд или воздух. В это же время в увеличивающейся камере с противоположной стороны ротора происходит расширение продуктов сгорания рабочей смеси - рабочий ход. В конце такта всасывания, когда объем камеры достигает максимального значения, впускное окно закрывается передней кромкой "отстающей" лопасти и начинается такт сжатия. С противоположной стороны ротора в этот момент задняя кромка "опережающей" лопасти открывает выпускное окно и начинается выпуск. В конце такта сжатия происходит воспламенение рабочей смеси запальным устройством 14 и при переходе через мертвую точку начинается рабочий ход. В конце такта выпуска пространство между лопастями сообщается одновременно с впускным и выпускным патрубком за счет перекрытия впускного 2 и выпускного 3 окон. При этом вследствие инерции потока свежий заряд или воздух поступает в камеру из впускного патрубка, вытесняя остаточные газы в систему выпуска. Максимальная амплитуда изменения передаточного отношения механизма синхронизации и изменения угловой скорости лопастей 4, а следовательно, и максимальный рабочий объем, и степень сжатия соответствуют расположению оси выходного вала, указанному на чертежах, поскольку в этом случае экстремумы передаточных отношений ступеней механизма совпадают. При отклонении плоскости выходного вала от указанного положения экстремумы передаточных отношений ступеней механизма синхронизации не совпадают во времени, что приводит к уменьшению амплитуды изменения угловой скорости и угловой разности хода лопастей, и такому же абсолютному увеличению углового размера, и объема камеры сгорания. Относительное увеличение камеры сгорания (уменьшение степени сжатия) оказывается достаточно большим при незначительных изменениях разности хода лопастей и рабочего объема. Например, при первоначальной степени сжатия 10 изменение рабочего объема на 10%, что соответствует повороту плоскости оси выходного вала в пределах 20^o, приводит к уменьшению степени сжатия почти в 2 раза.

Угол зацепления (угол давления) зубчатой передачи - острый угол между общей нормалью к поверхности зубьев в точке их контакта и перпендикуляром к межосевой линии. Для цилиндрической прямозубой передачи, у которой касательная к делительной окружности зубчатого колеса в любой ее точке перпендикулярна радиусу, стандартное значение угла эвольвентного зацепления составляет 20'. В случае некруглых зубчатых колес (зубчатых колес переменного радиуса) значение угла зацепления увеличивается при той же форме зуба на величину угла между касательной к делительной поверхности и нормалью к ее радиусу в данной точке. Значение угла зацепления зависит в этом случае от формы зубчатых колес и фазы зацепления. Например для эллиптических и близких к ним по форме зубчатых колес с соотношением осей около 1,5, что позволяет достичь разности хода лопастей роторно-лопастного двигателя примерно 40^o, значение угла эвольвентного зацепления 4 раза за один оборот достигает величины более 45^o, что приводит к значительному увеличению сил и нагрузок в зацеплении, поскольку окружная составляющая нормальной силы, создающая вращающий момент, пропорциональна косинусу угла зацепления. При соотношении осей зубчатых колес около 2 угол зацепления достигает примерно 90^o, что делает такую передачу неработоспособной (зубчатые колеса просто выходят из зацепления). Использование какой-то другой известной формы зубьев (циклоидной, Новикова. . . ) не способно значительно изменить ситуацию. Таким образом, указанные механизмы синхронизации даже теоретически не способны обеспечить разность хода лопастей больше 60-70^o.

Формула изобретения

1. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с кольцевой камерой, имеющей впускное и выпускное окна с расположенными в ней двумя парами лопастей, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной скоростью и установленных на соосных валах, соединенных с выходным валом механизмом синхронизации, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса, при этом зубчатые колеса механизма синхронизации, закрепленные на валах ротора и выходном валу, взаимодействуют между собой через промежуточные зубчатые колеса переменного радиуса, свободно вращающиеся на оси, отличающийся тем, что ось выходного вала имеет возможность перемещаться параллельно самой себе вокруг оси промежуточных зубчатых колес, изменяя взаимное расположение выходного вала и оси промежуточных шестерен для изменения степени сжатия двигателя.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что зубчатые колеса механизма синхронизации имеют профиль, образованный сопряженными дугами двух окружностей.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что промежуточные зубчатые колеса выполнены идентичными находящимся с ними в зацеплении зубчатым колесам валов ротора и выходного вала.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что промежуточные зубчатые колеса механизма синхронизации выполнены эксцентричными круглыми с меньшим в два раза числом зубьев по сравнению с находящимися с ними в зацеплении зубчатыми колесами валов ротора и выходного вала.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая полость корпуса выполнена в виде сферы, а лопасти - в виде секторов со сферической внешней поверхностью, в которых выполнены канавки с возможностью установки в них уплотнений.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что впускное и выпускное окна выполнены с перекрытием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5