ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, к двигателям внутреннего сгорания объемного вытеснения.
Известно, что все имеющие коммерческую практику двигатели внутреннего сгорания (ДВС) объемного вытеснения с вращающимся валом отбора мощности, которые содержат в своем составе, по меньшей мере, одну секцию механизма объемного вытеснения, простроены по принципу полного отсутствия в его локальной рабочей полости объемного вытеснения поверхностей трения звеньев силовой цепи своего механизма, через которые производится передача механической энергии между газовым зарядом рабочего тела (ЗРТ) и валом отбора мощности. Поскольку, в виду присутствия внутри рабочей полости данных ДВС сильно нагретого газа локального заряда, там принципиально не допускается размещение узлов пар трения силовой цепи, которым, исходя из принципа высокой эффективности и надежности работы двигателя, должно быть гарантировано непрерывное во времени эффективное охлаждение и смазка. Потому что на практике доказано, что пренебрежение этим условием неизбежно приводит к выгоранию смазки, резким снижением эффективности передачи механической энергии, механическому разрушению поверхностей трения и аварийной остановке двигателя.
Поскольку только данное принципиальное требование обеспечивает собой необходимую высокую надежность и эффективность работы коммерческого теплового двигателя, то в коммерческих ДВС объемного вытеснения в качестве силового механизма применяются только ползунно-эксцентриковые механизмы, которые, согласно многовековой практике, из всего массива известных до настоящего времени механизмов, являются единственно способными соответствовать данному жесткому требованию.
Поэтому, для управления процессом изменения переменной величины объема V рабочей полости объемного вытеснения секции ДВС объемного вытеснения, механические узлы трения которого пространственно располагаются за пределами объема рабочей полости, в каждом имеющем практическое применение механизме этих двигателей используется так называемый «узел ползуна», который является простейшим по конструкции двухзвенным механическим узлом, оба звена которого расположены не только за пределами рабочей полости, но за пределами силовой цепи механизма. Поскольку узел ползуна никогда не участвует в передаче механической энергии между зарядом рабочего тела и валом отбора мощности.
Одним его звеном является подвижный, так называемый «ползун», жестко закрепленный на входном подвижном силовом звене механизма секции. Другим звеном является специальная, дополнительная, опорная, направляющая и неподвижная поверхность статора, с которой ползун имеет прямой, непрерывный и текущий, или «ползущий» механический контакт, совершая при этом свои безостановочные, без проскальзывания, циклически повторяющиеся перемещения вдоль всей ее контактной опорной неподвижной поверхности. Геометрическая форма очертания неподвижной опорной поверхности, или так называемой «направляющей ползуна» определяет собой, прежде всего, траекторию перемещения ползуна вдоль ее двухмерной геометрической линии на плоскости. В практике тепловых двигателей известны всего две такие геометрические линии - это отрезок прямой линии и замкнутая линия окружности.
В связи с этим, в соответствии с геометрической формой контактной поверхности направляющей ползуна, то есть опорной для него контактной поверхности статора, известны два типа конструкции узлов ползуна: прямолинейный и круговой. Тип узла ползуна определяет собой не только траекторию циклического пространственного перемещения ползуна и подвижного входного силового звена механизма, на котором ползун жестко закреплен, но также и конструкцию данного силового звена механизма теплового двигателя объемного вытеснения, которое в такте рабочего хода (ТРХ) термодинамического цикла заряда принимает на себя всю силу F раскаленного локального объема газового заряда рабочего тела.
Прямолинейный тип узла ползуна реализуется в так называемом «поршневом механизме» двигателя объемного вытеснения [1. А.С. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ. ред. В.И. Крутова «Теплотехника», Учебник для студентов втузов, Издательство «Машиностроение», Москва 1986 год, стр. 220-225, Рис. 5.1, 5.3, 5.4, 5.5], который, в свою очередь, имеет два вида.
Первый из двух видов прямолинейного типа узла ползуна, который называет «крейцкопфный», определяет собой непрерывное, циклическое, возвратно-поступательное, прямолинейное и соосное перемещение плоского цилиндрического диска поршня внутри кругового полого рабочего цилиндра статора механизма секции двигателя. Локально замкнутая полость объемного вытеснения вдоль оси цилиндра закрыта с одной стороны головкой цилиндра, с другой - днищем соосного подвижного поршня, который соосно и жестко закреплен на цилиндрическом стержне поршневого штока. При этом шток через утолщение своей поверхности трения скольжения, так называемого «ползуна», или по-немецки «крейцкопфа», перемещается вдоль соосного с ним отдельного, полого, неподвижно и закрепленного на статоре цилиндра - так называемой «направляющей крейцкопфа», которая также называется «параллелью», которая своей конечной по его длине, прямолинейной формой задает прямолинейную траекторию соосного возвратного перемещения для ползуна, поршневого штока и поршня. Газовый заряд рабочего тела, совершая процессы изменения объема в своем термодинамическом цикле, сжимаясь и расширяясь, пульсирует в локальном пространстве замкнутой полости цилиндрической стенки рабочего цилиндра вдоль его оси между головкой рабочего цилиндра и днищем поршня.
Через цилиндрический шарнир крейцкопфа поршневой шток соединен с одной из головок штока качающегося и при этом линейно перемещающегося шатуна, который через свою вторую головку на втором конце своего штока во втором своем цилиндрическом шарнире соединен с круговым диском центрального эксцентрика, эксцентрически жестко закрепленным на валу, коренная ось которого в профиле механизма перпендикулярна оси поршня, поршневого штока и крейцкопфа. В профиле механизма прямолинейное расстояние между коренной осью вала и осью круга эксцентрика равно длине е геометрического отрезка эксцентриситета данного ползунно-эксцентрикового механизма. Таким образом, рабочий цилиндр с поршнем и пульсирующим объемом рабочей полости располагаются в радиальном пространстве относительно коренной оси эксцентрикового вала отбора мощности. Цилиндрический шарнир головки шатуна и эксцентрика вала отбора мощности - выходного звена механизма двигателя, выполняет собой функцию так называемого «генератора момента силы М», подставляя для этого плечо L рычага е эксцентриситета эксцентрика вала под силу F раскаленного заряда рабочего тела в его такте рабочего хода. В эксцентриковом вале точка опоры рычага эксцентриситета е в профиле механизма всегда неподвижна относительно коренной оси вала. В результате выработки рычагом эксцентриситета е под действием силы F момента силы M происходит вращение вала, установленного с возможностью вращения относительно своей коренной оси в коренных подшипниках статора.
В первом - крейцкопфном виде прямолинейного типа узла ползуна, сам ползун и его опора статора пространственно располагаются далеко за пределами горячей рабочей полости рабочего цилиндра в зоне комфортных условий с соблюдением требуемой надежности низкотемпературной смазки и охлаждения не только для элементов узла ползуна, но и для обоих шарниров трения силовой цепи механизма секции двигателя. Однако он обладает большим габаритным радиальным размером относительно коренной оси вала и вдоль оси рабочего цилиндра, а также большой инерционной массой подвижных звеньев механизма, что особенно неблагоприятно с точки зрения инерционных потерь для прямолинейного типа ползуна из-за непрерывно повторяющимися двумя циклами разгона поршня до его максимальной линейной скорости с последующими двумя циклами его торможения до нулевой скорости на краях отрезка направляющей ползуна в каждом одном обороте вала. Такая конструкция не только обладает низкой эффективностью работы, но и повышает материалоемкость, вес и габаритный размер конструкции механизма, препятствует активному повышению числа оборотов вала, необходимой для увеличения количества механической работы в единицу времени, то есть мощности двигателя на выходном валу.
В связи с этим, исторически через 100 лет после появления крейцкопфного поршневого теплового двигателя, наибольшее распространение получила схема второго вида поршневого двигателя, в механизме секции которого отсутствует как шток с крейцкопфом, так и расположенная удаленно от рабочего цилиндра направляющая крейцкопфа. Функцию статорной направляющей ползуна во втором виде поршневого механизма выполняет сам рабочий цилиндр полости объемного вытеснения, а функция ползуна здесь возложена на расположенные вдоль оси и возле днища поршня компрессионные кольца его газового уплотнения. При этом для подстраховки сохранения прямолинейности осевого перемещения поршня к диску поршня со стороны вала соосно и жестко прикреплен полый цилиндр поршневой, так называемой «юбки», или ствола, или в французской интерпретации, так называемого «тронка». В связи с этим, механизм поршневого двигателя, который не имеет поршневого штока и укрепленного на нем ползуна, называется «тронковым».
Поэтому во втором виде схемы механизма с прямолинейным типом узла ползуна сам ползун перемещается внутри некомфортной зоны полости объемного вытеснения при высоких температурах поверхностей трения и существенном недостатке смазочного масла. Поршневой силовой шарнир шатуна предельно приближен к горячей зоне рабочей полости. Узколинейные компрессионные поршневые кольца горячей зоны рабочего цилиндра являются ненадежной и не предназначенной для этого опорой ползуна, противодействующей большой по величине боковой силе трения поршня особенно в начале ТРХ, создающей большой износ внутренней поверхности цилиндра, существенные потери выработанной механической энергии и требующих еще более существенной по количеству, чем в крейцкопфном поршневом механизме, дополнительной смазки и охлаждения стенок рабочего цилиндра и поршневого шарнира.
Кроме того в механизмах обоих видов данного типа узла ползуна непрерывно воспроизводится радиальная пульсация заряда в локально замкнутом пространстве между днищем подвижного поршня и головкой неподвижного рабочего цилиндра полости объемного вытеснения двигателя. А поскольку термодинамический цикл заряда рабочего тела содержит в себе процесс охлаждения, который в открытом цикле решается выпуском из рабочей полости отработанного заряда и впуском извне нового холодного заряда, то в относительно узкой по диаметру головке рабочего цилиндра каналы выпуска и впуска газа ЗРТ периодически перекрываются клапанами сложного по конструкции и энергоемкого, клапанного, дополнительного, программного газораспределительного механизма. В связи со всем этим, в поршневом механизме один такт рабочего хода происходит лишь за каждые два подряд оборота вала, что приводит к выработке секцией двигателя низкой тактовой частоты ƒ=0,5 Гц, конструкционно уменьшая количество топлива, которое может быть сожжено в ТРХ за единицу времени, что препятствует быстрому и эффективному наращиванию мощности двигателя, провоцируя резкое повышение оборотов вала, тем самым занижая эффективность, надежность и ресурс его работы.
Указанные недостатки механизма секции поршневого двигателя с прямолинейным узлом ползуна преодолены в механизме с круговым типом узла ползуна. Данным типом ползуна обладает так называемый «роторный» двигатель и, в частности, механизм секции роторно-поршневого двигателя (РПД) Ванкеля [2. А.П. Панычев, А.П. Пупышев, Д.В. Кутузов «Устройство и принцип работы роторно-поршневого двигателя MAZDA RX-8», Редакционно-издательский отдел УГЛТУ (Уральский Государственный Лесотехнический Университет), Екатеринбург 2012 год, стр. 9 рис. 3, стр. 10 рис. 4, стр. 15 рис. 10]. Он существенно проще по конструкции и компактнее по габаритным размерам, чем поршневой двигатель с прямолинейным типом узла ползуна, поскольку по сравнению поршневым механизмом в нем отсутствуют шатун, один из силовых цилиндрических шарниров и газораспределительный клапанный механизм. И при одинаковом объеме V рабочей полости объемного вытеснения, он существенно компактнее по радиальным габаритным размерам, чем наименьший по этим размерам тронковый механизм поршневого теплового двигателя.
В секции роторно-поршневого двигателя входным в такте рабочего хода силовым звеном его механизма, на котором закреплен ползун, является призма ротора, которая имеет две осевые плоские грани и в профиле несколько взаимно симметричных относительно своей оси дуговых радиальных граней. Все поверхности трения не только силовой цепи механизма, но и узла ползуна расположены внутри полого ротора. В геометрической плоскости одной из осевых граней, или крышек ротора, соосно и жестко закреплен плоский полый круговой диск кругового колеса ползуна ротора. В той же геометрической плоскости оно находится в непрерывном катящем контакте с опорным для него плоским полым круговым диском колеса статорной направляющей ползуна - опорным колесом статора, который имеет меньший по длине диаметр своей окружности, чем колесо ползуна ротора. Через круговую внутреннюю полость шестерни статора свободно и соосно проходит цилиндрический стержень вала отбора мощности двигателя. Подвижное колесо ползуна ротора непрерывно обкатывает собой колесо неподвижной направляющей ползуна статорной опоры.
С целью исключения проскальзывания профиля кругового колеса ротора относительно профиля кругового колеса статора оба колеса имеют взаимно сопоставимую зубчатую нарезку, соответственно, внутреннюю - у колеса ротора и внешнюю - у колеса статора. Значения радиусов (диаметров) и длин делительных окружностей данных шестерней имеют взаимно конкретную величину, поэтому они являются, так называемыми «синхронизирующими шестернями». А сама эта шестеренчатая пара узла ползуна является синхронизирующим узлом ползуна механизма. Отношение длин радиусов делительных окружностей синхронизирующих шестерен ротора и статора геометрически определяет собой число радиальных граней ротора. При трех радиальных гранях ротора радиус делительной геометрической окружности подвижной синхронизирующей шестерни ротора равен длине 3е, а радиус делительной геометрической окружности синхронизирующей шестерни статора равен длине 2е, где е - это в профиле механизма есть длина прямолинейного отрезка между осями синхронизирующих шестерен статора и ротора. В связи с этим, внешняя обрезная радиальная кромка профиля ротора имеет форму симметричной относительно оси ротора замкнутой геометрической кривой линии гипотрохоиды с тремя дуговыми гранями и выгнутыми от ее оси вершинами, через которые дуговые грани попарно соединены между собой. Гипотрохоида содержит в себе геометрические линии своих больших и малых полуосей симметрии, в профиле исходящих из оси ротора. На внешних периферийных осевых и вершинных поверхностях ротора в канавках установлены узколинейные газовые уплотнения ротора, подпружиненные в направлении внутренних поверхностей статора.
Указанное отношение радиусов делительных окружностей ротора и статора 3е: 2е определяет собой форму внутреннего обрезного профиля кривой замкнутой плавной кривой геометрической линии эпитрохоиды рабочей полости статора, радиальные профили радиальных граней которой взаимно симметричны относительно ее оси. При этом синхронизирующая шестерня статора соосна с осью эпитрохоиды статора, которая является коренной осью цилиндрической полой поверхности статора с внутренним обрезным профилем эпитрохоиды. Число выгнутых от оси радиальных граней и вогнутых к ее оси вершин, взаимно соединяющих грани, всегда на одну единицу меньше, чем у гипотрохоиды ротора, и при, так называемом «трехгранном» роторе, оно равно двум единицам. Эпитрохоида также содержит в себе геометрические линии своих больших и малых полуосей симметрии, в профиле исходящих из ее оси. Внутренняя полая цилиндрическая поверхность, образованная профилем эпитрохоиды, которая является рабочей полостью секции двигателя, вдоль своей оси ограничена двумя плоскостями соосных с ней взаимно оппозитных плоскостей крышек статора, по меньшей мере, на одной из которых соосно и жестко закреплен плоский диск шестерни статора.
Соосно со статором с возможностью вращения в коренных подшипниках крышек статора установлен эксцентриковый вал, в средней части которого вдоль коренной оси и пространственно внутри полого ротора жестко и эксцентрически закреплен плоский круговой диск эксцентрика, ось круга которого в профиле механизма отстоит от коренной оси статора и вала на расстояние эксцентриситета е ползунно-эксцентрикового механизма двигателя. Силовая цепь данного роторного механизма кругового типа узла ползуна состоит всего из одного шарнира, по сравнению с двумя силовыми шарнирами у поршневого механизма прямолинейного типа узла ползуна. Он представляет собой силовой цилиндрический шарнир, содержащий в себе два его взаимно вращающихся соосных звена: центральную полую круговую втулку ротора и круговой диск эксцентрика вала. В такте рабочего хода сила раскаленного заряда рабочего тела от грани ротора через данный шарнир воздействует на плечо L вращающего рычага е эксцентриситета, также, как и в поршневом механизме, имеющего в профиле неподвижную относительно коренной оси вала точку своей опоры, генерируя момент силы М, под действие которого происходит вращение вала отбора мощности двигателя.
При работе двигателя внутри рабочей полости объемного вытеснения производится, так называемое, «конвейерное» перемещение заряда рабочего тела внутри полости объемного вытеснения секции РПД над каждой одной радиальной гранью вращающегося за счет зацепления синхронизирующих шестерен узла ползуна ротора вдоль плоскостей крышек и криволинейного профиля эпитрохоиды статора. Поэтому, по сравнению с пульсацией заряда в рабочей полости поршневого двигателя, так называемое «газораспределение» - открытие и перекрытие каналов впуска и выпуска газового заряда - внутри его рабочей полости роторной секции производится вершинами гипотрохоиды планетарно вращающегося ротора внутри криволинейного профиля полости эпитрохоиды статора, без применения вспомогательных балластных газораспределительных устройств и механизмов.
Планетарное вращение ротора воспроизводится узлом ползуна, в котором поступательное движение точки контакта, или касания вдоль линии делительной окружности шестерни статора перемещающейся вместе с ротором делительной окружности шестерни ротора сопровождается вращением шестерни ротора, которое производится за счет ее прямого зубчатого зацепления с неподвижной шестерней статора.
Также по сравнению с поршневым двигателем, роторно-поршневой двигатель Ванкеля более эффективен, поскольку производит один такт рабочего хода за каждый один борот вала, то есть его тактовая частота составляет ƒ=1 Гц.
Однако РПД Ванкеля имеет следующие, по меньшей мере, пять существенных недостатков. Во-первых, в силу объективных геометрических особенностей, при одинаковом значении рабочего объема V его секции, длина эксцентриситета поршневого двигателя всегда в 3 раза длиннее, чем у роторно-поршневого двигателя. Поэтому при участии значения длины плеча L вращающего рычага е в качестве равноправного множителя наряду со значением силы F раскаленного заряда рабочего тела в значении момента силы, вычисленного по известной формуле M=FL и выработанного валом поршневого двигателя того же рабочего объема, примерно в то же число раз всегда выше, чем у роторно-поршневого двигателя.
Во-вторых, в такте рабочего хода механизм РПД Ванкеля работает как механический мультипликатор, из-за чего за один полный цикл оборота ротора относительно его оси совершаются три полных цикла оборота вала относительно его коренной оси. В результате, чтобы достичь двигателем большей мощности, совершив большее число тактов рабочего хода в единицу времени, надо вращать вал двигателя и нагрузки быстрее, чем это делает поршневой двигатель, у которого число полных циклов перемещения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) и обратно всегда равно числу полных циклов оборотов вала относительно собственной коренной оси. То есть фактически поршневой механизм функционально представляет собой механическую муфту. При этом работа в режиме мультипликатора во время совершения тактов рабочего хода существенно снижает рабочий ресурс роторно-поршневого двигателя Ванкеля.
В-третьих, самым существенным недостатком является высокая вероятность заклинивания в секторе текущего контакта узких в профиле зубьев плоского диска синхронизирующей шестерни ротора относительно таких же узкопрофильных зубьев плоского диска синхронизирующей шестерни статора узла ползуна РПД Ванкеля, вследствие хотя бы незначительного перекоса одной из осей этих шестерен. Обычно перекосу подвержена шестерня подвижного ротора. Что выражается в аварийном стопоре ротора и вала, критически снижая надежность работы роторно-поршневого двигателя.
В-четвертых, радиус цилиндра r стержня вала РПД не может быть больше, чем r=1,5е, потому что вал пространственно проходит соосно и внутри сквозного центрального отверстия синхронизирующей шестерни статора, имеющей радиус своей делительной окружности, равной 2е, а также с учетом толщины кругового слоя ее зубьев и толщины ее радиальной стенки. Поэтому вал РПД всегда конструкционно ограничен по своей несущей и нагрузочной способности, снижая этим возможность повышения мощности, что снижает эффективность работы двигателя.
В-пятых, в начале такта рабочего хода раскаленного заряда рабочего тела, при нахождении рычага эксцентриситета е в секторе ВМТ, плечо рычага имеет значение близкое к нулю: L=0. Поскольку через рычаг эксцентриситета эксцентрика вала максимальное в этот момент в такте рабочего хода и ударное значение силы F силовой цепи между раскаленным газовым зарядом рабочего тела и валом отбора мощности не имеет возможности выйти в форме момента силы M на вал отбора мощности, то всем своим наивысшим значением механическая энергия силы F через ротор, используя эксцентриковый вал в качестве звена-толкателя, линейно придавливает болванку вала через его опорные коренные подшипники к статору. Поэтому в этот момент вся без остатка энергия максимальной за ТРХ силы F заряда тормозит собой вал и сразу утилизируется в теплоту нагрева поверхностей трения коренных подшипников вала, требуя им для продолжения вращения вала обильности смазки и охлаждения. Если для коренных подшипников вала используются подшипники качения, то требуется искусственное ограничение максимального значения силы F заряда, при котором не будет перейден определенный порог его мощности на валу, чтобы механически не разрушить эти подшипники. Таким образом, изготовитель вынужден заведомо занижать физические возможности двигателя, искусственно уменьшая степень эффективности его работы. Если не создавать данного искусственного барьера, то в качестве коренных подшипников вала могут применяются только подшипники скольжения, которые хотя механически более надежны, но, как известно, имеют низкую собственную эффективность работы из-за больших потерь на трение по сравнению с подшипниками качения, у которых эти потери меньше. Такая же картина наблюдается и в поршневых двигателях с механизмом эксцентрикового вала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является, так называемый, муфта-роторный двигатель (МРД) внутреннего сгорания [3. Патент RU 2778194 С1 от 14.12.2021, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/00], в котором устранены указанные недостатки РПД Ванкеля.
В данном муфта-роторном двигателе также применен круговой тип узла ползуна в роторном механизме ДВС объемного вытеснения. Конструкция его силового механизма и его узла ползуна имеет свои отличительные конструкционные особенности по сравнению с особенностями конструкции силового механизма и узла ползуна РПД Ванкеля. А именно, вместо механизма с силовым эксцентриковым валом и узла ползуна на синхронизирующих шестернях в РПД Ванкеля, в МРД применены, соответственно, механизм силовой цевочной муфты и, так называемый, «цевочно-гипотрохоидный» узел ползуна роторного двигателя.
Поэтому в конструкции его механизма отсутствуют такие элементы конструкции РПД Ванкеля, как плоские круговые диски цилиндрического шарнира силовой цепи: центрального эксцентрика, установленного эксцентрически относительно коренной оси вала, и центральной втулки ротора, а также круговые диски узла ползуна: синхронизирующих шестерен статора и ротора. Вместо силового эксцентрикового вала в секции муфта-роторного двигателя в состав механизма введена силовая цевочная муфта, содержащая в своем составе линейный по всей своей осевой длине вал отбора мощности, перпендикулярные коренной оси вала и взаимно параллельные плоские цевочные диски ротора, вала и радиальных эксцентриков, а также цевок ротора и вала.
В секции МРД ротор является не только входным силовых звеном в такте рабочего хода, но, в отсутствии эксцентрикового вала, также и генератором момента силы М. Это происходит потому, что ротор является тем твердым механическим силовым звеном механизма, которое в такте рабочего хода подставляет под силу F раскаленного газового заряда рабочего тела, которое давит ей на радиальную грань ротора, плечо L рычага ротора длиной 3е, у которого подвижная по направлению вращения ротора точка опоры располагается в той самой текущей геометрической точке опоры кругового типа узла ползуна геометрической линии делительной окружности колеса ползуна - бывшей шестерни ротора, на геометрическую линию делительной окружности колеса направляющей ползуна - бывшей шестерни статора.
Таким образом, по сравнению с поршневым и роторно-поршневым двигателями, у которых функцию генератора момента силы M выполняет выходное силовое звено механизма - эксцентриковый вал отбора мощности, в МРД эту функцию выполняет само входное силовое звено - ротор. Поэтому из силовой цепи исключаются механические звенья-толкатели, передающие собой силу F, а также процессы передачи силы F заряда в ТРХ через опоры звеньев-толкателей и потери в их силовых поверхностях трения, что повышает эффективность работы муфта-роторного двигателя. При этом ротор функционально представляет собой звено-тягач, который по цепочке утягивает за собой во вращение все последующие звенья механизма - радиальные эксцентрики и вал. Тягач, как известно, всегда эффективнее толкателя.
В связи с тем, что момент силы M генерируется на входном силовом звене при опоре рычага ротора не на коренной оси вала, как в механизмах с эксцентриковым валом, а на делительной геометрической окружности бывшей синхронизирующей шестерни ротора, то, во-первых, длина рычага ротора в МРД повышается до значения 3е и поэтому он не уступает поршневой секции по значению данного параметра. Во-вторых, цевочная муфта синхронизирует число оборотов вала с числом оборотов ротора, троекратно снижая число оборотов вала МРД, по отношению к числу оборотов ротора в механизме РПД Ванкеля, и доводя число тактов рабочего хода до трех по отношению к одному обороту вала отбора мощности, существенно повышая тактовую частоту МРД до значения ƒ=3 Гц. Что существенно повышает эффективность работы и рабочий ресурс двигателя.
Момент силы М, генерируемый ротором в ТРХ, практически без потерь транслируется цевочной муфтой на вал отбора мощности двигателя из-за ее собственной более высокой механической эффективности по сравнению с механизмами эксцентрикового вала. При отсутствии непосредственно взаимно контактирующих зубчатых колес ротора и статора в круговом типе узла ползуна, производивших вращение ротора относительно его оси, в кинематической схеме МРД по-прежнему присутствует текущий точечный контакт касания геометрических делительных окружностей ротора и статора узла ползуна. Как и в роторном механизме [2] РПД Ванкеля, данный точечный контакт в роторном механизме МРД по-прежнему определяет собой текущее положение точки опоры ротора на статоре. Но если в РПД Ванкеля у ротора была еще одна точка опоры на статоре, а именно, через силовой цилиндрический шарнир эксцентрика вала на коренной оси вала, то, при отсутствии данного шарнира в механизме МРД текущая указанная точка опоры в точке касания делительных окружностей является единственной. А перемещение точки контакта по линиям указанных делительных геометрических окружностей указывает на факт вращения ротора относительно своей собственной оси во время работы механизма муфта-роторного двигателя даже без использования для этого зубчатого зацепления синхронизирующих шестерен.
Такое заданное в круговом типе узла ползуна роторного механизма перемещение и позиционирование текущего положения единственной точки опоры ротора на статоре производится такой конструкцией узла ползуна, которая состоит из круговых цилиндрических стержней нескольких цевок, которые взаимно симметрично закреплены на одной детали механизма и на которых с возможностью соосного скольжения установлены подшипниковые круговые втулки качения узла ползуна. Внешние цилиндрические поверхности втулок качения находятся в непрерывном многоточечном катящем механическом контакте своими прямолинейными образующими линиями с прямолинейной образующей радиальной обрезной кромки дополнительного плоского диска, который закреплен на другой детали механизма секции двигателя и который в профиле представляет собой симметричную относительно своей оси кривую замкнутую геометрическую линию. В профиле текущего положения ротора геометрические прямые линии лучей, проведенные из осей цевок узла ползуна и проходящие через точки касания втулок цевок с профилем кривой линии дополнительного диска узла ползуна геометрически пересекаются в текущей точке касания указанных делительных геометрических окружностей. В эту же точку приходит геометрическое прямолинейное продолжения текущего положения центрального эксцентриситета е. И она является той единственной точкой опоры ротора на статоре, которая одновременно является и текущей точкой опоры для рычага ротора, который вращает собой ротор при приложении к нему силы F раскаленного заряда рабочего тела в такте рабочего хода.
В узле ползуна прототипа [3], вместо пары синхронизирующих шестерен, в муфта-роторном двигателе применен цевочно-гипотрохоидный узел ползуна, который состоит из сосного с ротором ползуна профильной формой внутренней трехгранной гипотрохоиды ротора, грани которой параллельны граням внешней трехгранной гипотрохоиды ротора. Внутренняя гипотрохоида - ползун ротора, установлена с возможностью качения по втулкам направляющих опорных цевок статора, в своей совокупности являющимися многоточечной направляющей ползуна. Они закреплены параллельно коренной оси статора и вала в точках пересечения произвольной центральной геометрической окружности статора с геометрическими прямыми линиями малых полуосей симметрии двуполостной эпитрохоиды рабочей полости статора. В данной конструкции полностью отсутствуют мелкие узкопрофильные звенья взаимного механического контакта, способные привести к их взаимному заклиниванию.
Круглые в профиле две втулки цевок каждой крышки статора расположены на одном диаметре произвольной по длине радиуса центральной геометрической окружности статора. Большая площадь сечения гипотрохоиды ползуна ротора, а также небольшие по диаметру втулки опорных цевок статора и конструкционно большая и ограниченная в профиле лишь линией эпитрохоиды статора длина диаметра центральной геометрической окружности статора, на которой закреплены опорные цевки направляющей ползуна, никак не ограничивают собой величину диаметра вала отбора мощности и, соответственно, его физическую несущую и пропускную способность.
Узел ползуна в данной секции МРД также располагается за пределами силовой цепи, звенья и поверхности трения которой находятся между ЗРТ и валом. Поэтому звенья и контактные поверхности узла ползуна между его ползуном ротора и направляющей опорой статора подвергаются воздействию сил меньшего порядка, чем в силовой цепи, через которую проходит подавляющая часть энергии заряда, работающего в ТРХ. Однако в момент начала такта рабочего хода при нахождении эксцентриситета е эксцентрика вала в секторе ВМТ, когда значение плеча рычага е близко к нулю L=0, звенья и поверхности трения узла ползуна являются первыми и самыми близкими к ротору, принимающему на себя и передающему далее по цепи ударное усилие заряда. При этом узел ползуна обладает необходимой для упреждающего принятия его на себя самой короткой цепью механических звеньев - от гипотрохоидного ползуна ротора через втулки непосредственно на цевки статора - которые имеют жесткие опоры на крышках статора, каждая из которых в опережающем порядке принимает на себя и гасит в себе значительную долю от общего количества механической энергии ударного воздействия раскаленного заряда в начале ТРХ, переводя ее в теплоту нагрева собственных звеньев и поверхностей трения, тем самым разгружая коренные подшипники.
Благодаря этому снижается степень вероятности механического разрушения звеньев и элементов силовой цепи механизма, повышая надежность работы двигателя. Поэтому в отношении элементов конструкции вала и коренных подшипников вала цевочно-гипотрохоидный узел ползуна МРД дополнительно выступает еще и в роли так называемого «демпфера», или механического предохранителя, непрерывно готового к выполнению данной функции. В связи с этим, в механизме секции МРД возможно применение более эффективных подшипников качения в качестве коренных подшипников вала, а также отпадает необходимость организации в МРД мероприятий по искусственному ограничению величины вырабатываемой им мощности.
Однако данная конструкция узла ползуна имеет конструкционный недостаток. Он заключается в том, что во время работы механизма двигателя при прохождении сектора вершины ползуна внутренней гипотрохоиды ротора контактного сектора наружной поверхности втулки направляющей опорной цевки статора, ползун с профилем гипотрохоиды имеет возможность временного прекращения процесса качения по втулке, при этом либо скользя по ней, либо теряя с ней контакт. Это связано с геометрической особенностью формы замкнутой геометрической линии трехгранной гипотрохоиды ротора, содержащей три протяженных сектора своего профиля, имеющих профиль с большим радиусом кривизны дуг их радиальных граней, а также взаимно соединяющие дуги радиальных граней трех относительно небольших по длине криволинейного профиля сектора вершин гипотрохоиды, у которых радиус кривизны имеет значительно меньший радиус кривизны. Причем профиль гипотрохоиды имеет резкий переход из профиля дуги радиальной грани сразу в узкий закругленный профиль ее вершины. Поэтому при подходе к втулке цевки статора данного сектора вершины ползуна резко повышается скорость перемещения по наружной окружности втулки опорной цевки контактной точки качения гипотрохоиды. В связи с чем, в зависимости от нарастания скорости вращения ротора возникает вероятность либо скольжения гипотрохоиды по поверхности втулки, либо временной потери контакта с втулкой и последующим резким восстановлением механического контакта при переходе втулки на контакт со следующей набегающей гранью большого радиуса кривизны гипотрохоиды.
Вероятность возникновения кратковременной потери катящего контакта ползуна со своей направляющей опорой может характеризоваться как люфт, который в данном механизме является нештатным и аварийным событием, приводящим к снижению степени надежности работы двигателя внутреннего сгорания.
Указанный недостаток в секции МРД с трехгранным ротором устраняется при условии, если в его узле ползуна в качестве замкнутой геометрической поверхности, которая в профиле без проскальзывания катится по круговой внешней поверхности втулки своей цевочной опоры, вместо кривой замкнутой линии гипотрохоиды, с ее взаимно резко отличающейся длинами радиусов кривизны профилей радиальных граней и вершин, применить другую используемую в данном механизме - это замкнутую кривую линию эпитрохоиды, у которой в силу ее геометрических особенностей радиусы кривизны граней и вершин способны иметь взаимно близкую величину и которая обладает плавным взаимным переходом профилей секторов ее кривизны. Одновременно, для надежного недопущения образования люфта в узле ползуна, число пар его цевочных опор должно быть заведомо больше двух пар.
Целью изобретения является повышение надежности и эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.
Указанная цель достигается в двигателе внутреннего сгорания, состоящем, по меньшей мере, из одной секции роторного ползунно-эксцентрикового механизма, содержащего полый статор, который вдоль своей геометрической коренной оси ограничен внутренними плоскостями двух соосных с ним крайних, взаимно оппозитных, плоских крышек статора, а в радиальном направлении ограничен замкнутой внутренней обрезной кромкой внутренней цилиндрической полости объемного вытеснения статора, имеющей соосный с коренной осью профиль симметричной замкнутой кривой геометрической линии эпитрохоиды с исходящими из коренной оси статора геометрическими лучами взаимно симметричных прямых линий своих малых и больших геометрических полуосей симметрии, число которых равно, соответственно, числу ее вершин и граней, при этом малые полуоси соединяют ось ротора с его вершинами, а большие полуоси соединяют ось ротора с серединами его радиальных граней, также внутри полости статора с возможностью вращения относительно собственной оси, которая параллельна коренной оси статора и в профиле отстоит от нее на расстоянии прямолинейного геометрического отрезка длиной геометрического луча эксцентриситета е механизма секции двигателя, размещена плоская относительно ее собственной оси призма ротора с внешней обрезной кромкой симметричных в профиле радиальных дуговых граней гипотрохоиды, у которой число вершин и граней на одну единицу больше числа вершин и граней эпитрохоиды статора, и профиль гипоторохоиды также содержит исходящие из его оси геометрические лучи взаимно симметричных прямых линий малых и больших полуосей симметрии, число которых равно, соответственно, числу ее вершин и граней, при этом большие полуоси соединяют ось ротора с его вершинами, а малые полуоси соединяют ось ротора с серединами его радиальных граней, причем во внутренней полости ротора в средине линии высоты его призмы вдоль своей оси ротор содержит закрепленный перпендикулярно ей монолитный с телом ротора средний плоский цевочный диск ротора, в профиле содержащий радиально и симметрично расположенные относительно оси ротора и параллельно ей одинаковые по диаметру радиальные относительно оси ротора сквозные круговые цевочные отверстия, число которых равно числу вершин внешней гипотрохоиды ротора, и геометрический центр каждого из которых лежит в точке пересечения с геометрической линией большой полуоси каждой вершины профиля ротора линии геометрической центральной окружности среднего диска ротора, имеющей произвольную по своему значению X длину ее радиуса, при этом в каждом указанном круговом цевочном отверстии с возможностью соосного вращения установлено по одному плоскому круговому диску радиального эксцентрика, который также содержит в себе сквозное круговое эксцентрическое отверстие, ось которого параллельна оси внешнего круга диска данного эксцентрика и в профиле находится от нее на расстоянии прямолинейного геометрического отрезка длиной геометрического эксцентриситета е механизма секции двигателя, также внутри полости эпитрохоиды статора с возможность вращения относительно коренной оси статора в опорах собственных коренных подшипников на крышках статора и соосно коренной оси статора установлен круговой цилиндрический стержень вала, с соосным в его средней части и монолитным с телом вала плоским цевочным диском вала, а также параллельным ему, вдоль коренной оси отстоящим от него, соосно и жестко закрепленным на валу съемным диском вала, причем оба они имеют одинаковую форму профиля своей внешней обрезной кромки, подобную форме профиля внешней гипотрохоиды ротора с тем же числом своих параллельных ей радиальных граней и вершин, также плоскость монолитного диска вала параллельна плоскостям среднего диска ротора и дисков крышек статора и крышек ротора, на внешних плоскостях которых в канавках установлены подпружиненные в сторону плоскостей крышек статора узколинейные осевые компрессионные уплотнения и концентрические кольца пояса маслосъемных колец, а на плоскости монолитного диска вала расположенной со стороны съемного диска вала в точках пересечения геометрических прямых линий биссектрис вершин профилей дисков ротора с геометрической линией центральной окружности дисков вала, имеющей произвольную по своему значению X длину ее радиуса, такого же по длине, как и для расположения сквозных цевочных отверстий среднего диска ротора, расположены оси круговых стержней цевок вала, каждый из которых консольно и жестко закреплен на монолитном диске вала, а своим консольным концом опирается на одно из круговых отверстий съемного диска вала, причем каждый один стержень цевки вала с возможностью скользящего вращения соосно установлен в эксцентрическом отверстии одного из радиальных эксцентриков, также узел ползуна механизма двигателя, состоит из подвижного ползуна ротора и неподвижной направляющей для ползуна опоры статора, с которой ползун имеет в профиле несколько точечных опор непрерывного механического контакта и относительно которой в одной плоскости, перпендикулярной коренной оси статора, он установлен с возможностью циклически повторяющего продольного перемещения без проскальзывания, причем во внутренней полости ротора вдоль коренной оси узел ползуна содержит в своем составе круговые цилиндрические стержни нескольких цевок, на консольном конце каждого из которых с возможностью соосного вращения установлена подшипниковая втулка, наружная цилиндрическая поверхность которой в профиле установлена с возможностью непрерывного качения относительно обрезной кромки поверхности замкнутого симметричного криволинейного профиля детали узла ползуна, на которую в профиле непрерывно точечно опираются цевочные втулки узла ползуна, при этом консольно закрепленные на детали механизма двигателя внутри полости ротора цевки узла ползуна расположены попарно на одной прямой геометрической линии, параллельной линии коренной оси статора, а втулки каждой такой пары цевок установлены взаимно оппозитно и около каждой одной из двух взаимно оппозитных внутренних плоскостей крышек статора, при этом геометрические оси данных цевок в профиле также расположены и на геометрической линии окружности, имеющей произвольную по своему значению Y длину ее радиуса, а контактирующая с втулками цевок узла ползуна образующая прямая линия обрезной кромки поверхности опорного для цевочных втулок замкнутого криволинейного профиля узла ползуна также параллельна коренной оси статора, согласно изобретению, он дополнительно снабжен двумя одинаковыми плоскими дисками внутренней эпитрохоиды узла ползуна, каждый один из которых соосно с коренной осью статора консольно и жестко закреплен на одной из двух взаимно оппозитных внутренних плоскостях крышек статора, причем в профиле внешняя обрезная кромка каждой из замкнутых кривых линий внутренних эпитрохоид статора расположена внутри полости внутренней обрезной кромки внешней по отношению к ней эпитрохоиды полости объемного вытеснения статора, при этом относительно профиля внешней эпитрохоиды рабочей полости профиль каждой внутренней эпитрохоиды узла ползуна находится в повернутом относительно коренной оси статора положении, в котором геометрические линии малых полуосей симметрии внутренней эпитрохоиды совпадают с геометрическими линиями больших полуосей симметрии внешней эпитрохоиды и одновременно геометрические линии больших полуосей симметрии внутренней эпитрохоиды совпадают с геометрическими линиями малых полуосей симметрии внешней эпитрохоиды, также круговые цилиндрические стержни цевок узла ползуна консольно и жестко закреплены в среднем цевочном диске ротора, а каждый из двух консольных концов, на котором установлена втулка качения, каждой одной цевки узла ползуна расположен со стороны одной из двух взаимно оппозитных плоскостей среднего цевочного диска ротора, причем ось каждой из данных цевок в профиле расположена в точке пересечения геометрической линии каждой малой полуоси симметрии профиля внешней гипотрохоиды ротора с геометрической линией центральной окружности ротора, имеющей произвольную по своему значению Y длину ее радиуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1-11.
На фиг. 1 показан вид сбоку, или в профиле на секцию муфта-роторного двигателя с трехгранным ротором в положении эксцентриситета е в ВМТ, со снятой крышкой статора и снятым съемным диском вала.
На фиг. 2 показан вид спереди на роторную секцию муфта-роторного двигателя с трехгранным ротором в положении эксцентриситета е в ВМТ, со снятыми элементами уплотнения ротора.
На фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 изображены фазы перемещения точки опоры рычага трехгранного ротора в такте рабочего хода при движении ротора после верхней мертвой точки.
На фиг. 7 показана колесная пара радиального эксцентрика.
На фиг. 8 показан вид сбоку на несущий диск радиального эксцентрика.
На фиг. 9 показан вид спереди на диск радиального эксцентрика.
На фиг. 10 показан вид сбоку на радиальный эксцентрик в сборе, установленный в цевочном сквозном отверстии среднего диска ротора.
На фиг. 11 показан вид спереди на радиальный эксцентрик в сборе, установленный в цевочном сквозном отверстии среднего диска ротора.
Условные обозначения на чертежах, в тексте описания и формуле изобретения.
ДВС - двигатель внутреннего сгорания объемного вытеснения.
РПД Ванкеля - роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
МРД - муфта-роторный двигатель.
е - геометрический эксцентриситет механизма двигателя.
r - радиус цилиндра стрежня вала, либо шейки коренного подшипника вала.
V - объем рабочей полости объемного вытеснения секции ДВС.
X - радиус геометрический окружности, на которой в профиле механизма лежат геометрические оси цевок цевочных дисков вала и цевочных сквозных отверстий среднего цевочного диска ротора.
Y - радиус геометрической окружности, на которой в профиле механизма лежат геометрические оси втулочных цевок узла ползуна.
ЗРТ - газовый заряд рабочего тела.
ТРХ - такт рабочего хода раскаленного газового заряда рабочего тела.
ВМТ - верхняя мертвая точка.
НМТ - нижняя мертвая точка.
F - механическая сила раскаленного заряда рабочего тела в такте рабочего хода.
L - плечо рычага момента силы М.
M - вращающий, или крутящий момент, или момент силы, создаваемый силой F, воздействующей на плечо L рычага крутящего момента в генераторе крутящего момента механизма роторной секции.
ƒ - тактовая частота, измеряемая в герцах (Гц), как отношение числа тактов рабочего хода к одному обороту вала отбора мощности двигателя.
- обозначение сектора установки свечи зажигания.
- обозначение направления вращения ротора и вала.
- обозначение вектора силы F.
Предложенный двигатель внутреннего сгорания состоит, по меньшей мере, из одной секции роторного ползунно-эксцентрикового механизма, содержащего полый статор 1 (фиг. 1 и фиг. 2). Внутренняя полость объемного вытеснения статора в радиальном направлении ограничена замкнутой обрезной кромкой его внутренней цилиндрической полости объемного вытеснения, которая имеет соосный с геометрической коренной осью 2 статора профиль симметричной замкнутой геометрической кривой линии эпитрохоиды 3, состоящей из взаимно одинакового числа и зеркально отраженных относительно оси 2 одинаковых по форме криволинейных выгнутых от оси дуговых линий граней, а также взаимно и плавно соединяющих их вершин. В осевом направлении вдоль линии своей геометрической коренной оси 2 внутренняя полость статора ограничена внутренними плоскостями двух соосных со статором и его эпитрохоидой крайних взаимно оппозитных плоских крышек 4 статора. При этом осевая проекция профиля эпитрохоиды статора на крышках ротора имеет взаимно перпендикулярные прямые линии геометрических лучей своих малых полуосей 5 симметрии и больших полуосей 6 симметрии, исходящих из коренной оси 2 статора, число которых равно, соответственно, числу вершин и граней эпитрохоиды 3. Причем вершины линии эпитрохоиды лежат на линиях малых полуосей 5 ее симметрии, а середины граней эпитрохоиды - на больших полуосях симметрии 6.
На внутренней плоскости каждой одной из двух статорных крышек жестко и соосно с коренной осью 2 закреплен выступающий внутрь полости статора плоский диск дополнительной внутренней двуполостной эпитрохоиды 7 статора. Образующая прямая линия внешней обрезной кромки диска эпитрохоиды 7 параллельна коренной оси 2 статора 1. Каждый из двух дополнительных дисков с профилем эпитрохоиды 7 радиально расположен внутри внутренней обрезной кромки эпитрохоиды 3 рабочей полости статора 1, поэтому по отношению к ней кромка и сама эпитрохоида 7 является внутренней. Причем, как и у внешней эпитрохоиды 3, профиль эпитрохоиды 7 имеет свои взаимно перпендикулярные геометрические малые 8 и большие 9 полуоси симметрии. Особенностью при пространственном ориентировании в профиле механизма является то, что соосный с профилем эпитрохоиды 3 профиль эпитрохоиды 7 повернут в такое положение, при котором малые полуоси 8 симметрии эпитрохоиды 7 совпадают с большими полуосями 6 симметрии эпитрохоиды 3 и одновременно большие полуоси 9 симметрии эпитрохоиды 7 совпадают с малыми полуосями 5 симметрии эпитрохоиды 3. То есть профиль эпитрохоиды 7 относительно профиля эпитрохоиды 3 повернут на 90 градусов.
Функционально плоские диски внутренних эпитрохоид 7 относятся к узлу ползуна роторной секции, а их внешние образные кромки представляют собой направляющие ползуна статора, на которые опираются звенья ползуна механизма двигателя, установленные на силовом подвижном входном в такте рабочего хода звене данного механизма - роторе 10.
Ротор 10 установлен во внутренней полости статора с возможностью вращения относительно своей собственной оси 11, которая параллельна коренной оси 2 статора и в профиле отстоит от нее на прямолинейное расстояние длиной эксцентриситета е механизма двигателя.
Ротор представляет собой полую призму, в профиле содержащую в себе три радиальные дуговые грани 10, которые взаимно симметричны относительно оси ротора и попарно взаимно геометрически соединены между собой через три вершины ротора. Вдоль своей оси 11 ротор содержит две плоские осевые грани, или крышки 12 ротора. В канавках на внешней плоскости крышек 12 размещены подпружиненные дуговые узколинейные газовые уплотнения и коаксиальные кольца поясов маслосъемных уплотнений ротора. Также в канавках вершин ротора размещены его угловые газовые уплотнения.
Профиль ротора представляет собой замкнутую симметричную относительно своей оси 11 кривую геометрическую линию трехгранной гипотрохоиды, которая имеет по три малые геометрические полуоси 13 симметрии, исходящие из оси ротора в направлении середин граней ротора, и три большие геометрические полуоси 14 симметрии, исходящие из оси ротора в направлении вершин профиля ротора и являющиеся биссектрисами профиля углов вершин.
Внутри ротора в середине высоты его призмы и вдоль его оси, а также соосно и жестко с ротором закреплен монолитный с ротором средний цевочный диск 15 ротора, в котором параллельно его оси 11 в геометрических трех точках пересечения трех малых полуосей 13 симметрии с геометрической линией центральной окружности, то есть сосной с осью 11 ротора, имеющей произвольную по своему значению Y длину ее радиуса, жестко закреплены по одной оси цилиндрических стержней трех цевок 16, на каждом из двух консольных концов которого с каждой из плоских сторон диска 15 с возможностью соосного скользящего вращения установлено по одной цевочной втулке качения 17. В своей совокупности все три цевки 16 с шестью втулками 17 представляют собой ползун узла ползуна механизма секции муфта-роторного двигателя. Все три втулки 17 цевок 16 с каждой из двух вдоль оси ротора сторон среднего диска 15 находятся в постоянном точечным в профиле катящем механическом контакте с направляющей ползуна - внешней обрезной кромкой близлежащего одного из двух внутренних плоских дисков внутренней эпитрохоиды 7, соосно и жестко закрепленных по одному на близлежащей статорной крышке 4.
При работе механизма двигателя, при вращении ротора втулки 17 без проскальзывания и остановки обкатывают собой направляющую внешнюю плавно изменяемую кривизну опорной кромки направляющей ползуна внутренней эпитрохоиды 7 статора, которая зажата цевками перемещающегося вдоль нее ползуна без возможности люфта.
Вращение ротора в ползунно-эксцентриковом механизме секции муфта-роторного двигателя производится в результате преобразования рычагом ротора силы F газового заряда рабочего тела расширяющегося в такте рабочего хода в момент силы M ротора. Для передачи момента силы М, сгенерированного самим ротором, на вал отбора мощности муфта-роторного двигателя в механизме данной секции применяется так называемая силовая цевочная муфта, в состав которой входят средний цевочный диск 15 ротора 10 и параллельные ему и находящейся с двух сторон от него вдоль коренной оси два цевочных диска вала 18. Один из них - цевочный диск 19 вала соосно и жестко закреплен в средней части вала внутри полости ротора 10, а другой - такой же по форме своего профиля съемный при сборке и разборке диск 20 вала 18, который в рабочем положении также соосно и жестко при установке закрепленный на валу отбора мощности 18. Вал 18 с возможностью соосного вращения с коренной осью 2 статора установлен в своих коренных подшипниках крышек 4 статора.
Диски 19 и 20 вала 18 имеют одинаковую форму внешней обрезной кромки своего профиля, который по числу и расположению трех радиальных прямолинейных граней и трех закругленных вершин подобен форме внешней гипотрохоиды ротора 10. В профиле в геометрической точке пересечения каждой из исходящих из коренной оси вала больших геометрических полуосей вершин профиля диска 19 вала и геометрической центральной его окружности, имеющей произвольную по своему значению X длину ее радиуса, параллельно коренной оси, своей геометрической осью жестко и консольно закреплен цилиндрический стержень каждой одной из трех цевок 21 вала. При этом консольные концы цевок 21 закреплены в сквозных отверстиях диска 20, оси которых в профиле расположенных аналогично осям цевок 21 в диске 19. Тем самым, исключая вероятность изгиба цевок 21 при работе двигателя.
На каждой одной из трех цевок 21 вала с возможностью соосного скользящего вращения своим сквозным эксцентрическим отверстием установлен плоский круговой диск одного из трех радиальных эксцентриков 22, который своей наружной круговой поверхностью, в свою очередь, установлен с возможностью соосного скользящего вращения в одном из трех сквозных круговых цевочных отверстий 23 среднего диска 15 ротора 10. Причем геометрические оси каждого из трех отверстий 23 расположены в точках пересечения больших полуосей 14 гипотрохоиды 10 ротора с геометрической центральной окружностью профиля ротора, имеющей произвольную по своему значению X длину ее радиуса, то есть точно такой же длины радиус X, что и для крепления цевок 21 в цевочных дисках 19 и 20 вала 18. Три радиальных эксцентрика 22, наряду с дисками 15 вала и 19, 20 ротора, также являются составными частями силовой цевочной муфты ползунно-эксцентрикового механизма муфта-роторного двигателя внутреннего сгорания.
С двух сторон на каждой из цевок 21 соосно и свободно установлены упорные шайбы 24 и 25, которые своей калиброванной шириной контролируют осевой люфт ротора, относительно дисков 19 и 20 вала 18, которые, в свою очередь, имеют осевые упоры относительно статора в своих коренных подшипниках.
Дополнительно введенный в конструкцию механизма двигателя плоский диск двуполостной внутренней эпитрохоиды 7 узла ползуна, профиль которой повернут на 90 градусов по отношению к профилю внешней двуполостной эпитрохоиды 3 рабочей полости, заменил собой центральный круговой эксцентрик вала, который своей эксцентрической установкой относительно коренной оси вала в поршневом и роторно-поршневом ползунно-эксцентриковых механизмах обеспечивал собой непрерывное положение оси входного в такте рабочего хода силового звена механизма по отношению к коренной оси вала в профиле на расстоянии длины отрезка эксцентриситета е эксцентрика. Как и в схеме с, так называемым, цевочно-гипотрохоидным узлом ползуна [3] в предложенной схеме с, так называемым «цевочно-эпитрохоидным» узлом ползуна в механизме двигателя также отсутствует ненужный в этом механизме центральный эксцентрик, который одновременно с силовой функцией также выполнял несвойственную для силового звена указанную программную функцию.
Тем не менее, в прототипе [3] и предложенном механизмах роторных ДВС, как цевочно-гипотрохоидный, так и цевочно-эпитрохоидный узлы ползуна также способны выполнять и силовую функцию, но не по передаче механической энергии силовой цепи механизма между работающим в такте рабочего хода раскаленным газовым зарядом и валом отбора мощности, а защитную функцию демпфера, повышая степень надежности работы конструкции двигателя, разгружая своей опорой на статор детали вала, и в частности коренные подшипники качения вала, от чрезмерных нагрузок, возникающих в периоды критических нагрузок начала такта рабочего хода в двигателе.
Надежной работе механизма двигателя также способствует взаимно симметричное трехлучевое расположение цевок 16, которые трехлучевой звездой охватывают собой всю поверхность опорной направляющей поверхности внешнего обрезного контура внутренней эпитрохоиды 7 статора, в любой момент (фиг. 3 - фиг. 6) исключая полностью вероятность образования крутящего люфта в механическом контакте ползуна и направляющей ползуна, который имел место в конструкции прототипа [3].
Предложенная цевочно-эпитрохоидная конструкция узла ползуна компактнее, чем у прототипа [3], поскольку в ней весь механизм в профиле размещен внутри профиля пояса круговых коаксиальных маслосъемных уплотнительных колец на крышках 12 ротора, для которых не требуется менять их традиционную круговую форму, что упрощает конструкцию двигателя. Причем это сделано при сохранении радиальной стандартной толщины узколинейных маслосъемных колец.
Также радиальный габаритный размер роторной секции сохранил свои относительно небольшие размеры, чему также способствовал принцип построения предложенного узла ползуна. Как известно, чем меньше по значению своей площади сечения профиль роторной секции, тем меньше материалоемкость всей конструкции ее механизма и инерционная масса подвижного ротора, установленного относительно эксцентрической оси дисбаланса. Как известно, сужение профиля роторной секции приводит также к необходимости сужения площади поверхности сечения профиля вала отбора мощности, что приводит к уменьшению значения его несущей и пропускной способности, снижая эффективность работы двигателя. Поэтому для сохранения уровня эффективности работы площадь поверхности сечения самого узкого участка вала не должна быть меньше, чем, по меньшей мере, необходимая для высокой эффективности конкретная площадь сечения шейки коренного подшипника вала.
При этом радиальные размеры ротора и предложенной конструкция механизма позволяют вырезать в центральном диске 15 ротора 10 соосный с ним радиально компактный внутренний обрезной профиль 26 трехгранной и трехлучевой формы, подобный профилю внешней трехгранной гипотрохоиды 10 ротора. Однако профиль 26 представляет собой трехлучевую звезду, построенную на круговых дугах, своими геометрическими полуосями симметрии и формой повернут на 60 градусов по отношению к профилю и полуосям симметрии гипотрохоиды 10 ротора. Подобно тому, как профиль направляющей ползуна - внутренней эпитрохоиды 7 статора цевочно-эпитрохоидного узла ползуна, повернут на 90 градусов относительно профиля эпитрохоиды 3 рабочей полости статора. Точно по тому же принципу построен на круговых дугах трехлучевой внешний, радиальный, обрезной профиль 27 средней части вала, расположенной внутри профиля 26 центрального диска 15 ротора и находящийся в одной секущей плоскости с ним. При этом профиль трехлучевой звезды 27, по аналогии конструкции узла ползуна, также повернут на 60 градусов по отношению к трехлучевому профилю диска 19 вала, на котором он соосно и жестко закреплен. При этом площадь сечения профиля 27 вала не уступает по своему значению площади сечения шейки коренного подшипника вала. В такой конструкции при работе муфта-роторного двигателя, во время синхронного вращения ротора 10 и вала 17 находящиеся в одной плоскости сечения обрезные кромки профиля 26 ротора и профиля 27 вала не вступают во взаимный механический контакт (фиг. 3 - фиг. 6), и при сохранении своей работоспособности, благодаря своей конструкции и форме профиля находящих в одной плоскости сечения вала и ротора, сохраняет требуемую минимальность радиального размера роторной секции, при сохранении высокой несущей и пропускной способности вала.
Генерация момента силы M в такте рабочего хода муфта-роторного двигателя производится самим входным в ТРХ силовым звеном механизма двигателя - ротором, который, в связи с этим, является генератором момента силы М. Для этого ротор подставляет под силу F раскаленного в такте рабочего хода газового заряда рабочего тела плечо L рычага ротора, текущее значение длины которого определяется в профиле механизма геометрической точкой приложения к нему вектора силы F и геометрической точкой 28 опоры рычага на статоре механизма двигателя. Как известно, текущим значением плеча L рычага является длина геометрического перпендикуляра, проведенного из точки опоры 28 рычага на линию вектора внешней силы F, приложенной в точке ее приложения к рычагу. В роторном механизме точка приложения результирующей силы раскаленного в ТРХ газового заряда, в виду наличия выемки в каждой дуговой радиальной грани 10 ротора, всегда располагается в середине профиля грани ротора. В результате чего, направление вектора силы F всегда проходит по геометрической линии малой полуоси симметрии 13, переходящей в геометрическую линию большой полуоси симметрии 14 ротора 10.
Как известно, в кинематической схеме ползунно-эксцентрикового роторного механизма, ротор 10 имеет текущую контактную опору в точке 28 на статоре в узле ползуна. А именно, в текущей точке опоры линии геометрической окружности, соосной по оси 11 с ротором 10 делительной окружности, имеющей длину своего радиуса 3е, синхронизирующей шестерни ротора с линией геометрической окружности, соосной с коренной осью 2 статора делительной окружностью, имеющей длину своего радиуса 2е, синхронизирующей шестерни статора. Но независимо от отсутствия в предложенном механизме роторного двигателя плоских круговых дисков классической пары синхронизирующих шестерен, в нем присутствуют все элементы геометрической конструкции, которые воспроизводят взаимное геометрическое касание именно в точке 28 геометрической окружности 29 ротора, соосной с ротором, и геометрической окружности 30 статора, соосной со статором (фиг. 3 - фиг. 6). Под действием внешней силы, приложенной к грани ротора в такте рабочего хода, либо при вращении внешней силой вала в затратных тактах четырехтактного термодинамического цикла заряда - выпуска, впуска и сжатия, текущее значение плеча L вращающего рычага 3е всегда поворачивает вал отбора мощности относительно его коренной оси.
В любой положении ротора шестизвенная цевочная опора в узле ползуна пространственно разнесенных трех втулочных цевок 16 и шести втулок 17 ползуна ротора на направляющую ползуна - обрезную кромку внутренней эпитрохоиды 7 статора, в профиле геометрически всегда обеспечивает схождение линий трех геометрических лучей, проведенных из оси каждой их цевки 16 и втулки 17 в точку 28 текущего касания геометрических окружности 29 ротора и окружности 30 статора при конструкционно заданном условии, что каждый из трех в профиле данных и пространственно взаимно разнесенных лучей всегда перпендикулярен профилю поверхности эпитрохоиды 7 в точке текущего касания. А длина геометрического перпендикуляра, в профиле проведенного из точки опоры 28 рычага до пересечения с взаимно продлевающимися геометрическими линиями малой полуоси 13 и большой полуоси 14 профиля ротора представляет собой в текущем моменте текущую длину плеча L рычага 3е ротора (фиг. 3 - фиг. 6). В ту же точку 28 в профиле механизма геометрически приходит и прямолинейное продолжение от коренной оси вала текущего положения прямолинейного отрезка центрального эксцентриситета е механизма муфта-роторного двигателя внутреннего сгорания. При этом линии отрезков эксцентриситетов е трех радиальных эксцентриков всегда параллельны линии отрезка центрального эксцентриситета е, расположенного между осями 2 статора и вала и осью 11 ротора.
На фиг. 1 - фиг. 6 изображены роторная секция муфта-роторного двигателя, в которой в качестве радиального эксцентрика 22 используется плоский круговой диск, с возможностью соосного вращения, установленный внутри сквозного кругового цевочного отверстия 23 цевочного среднего диска 15 ротора 10.
Но поскольку, как известно, процесс качения механически контактирующих поверхностей трения, за счет своей минимальности механических потерь, всегда эффективнее, чем процесс скольжения, то для повышения эффективности работы двигателя в качестве одного из вариантов практического исполнения предлагается конструкция радиального эксцентрика 22, которая показана на фиг. 7 - фиг. 11.
В контексте высокой надежности конструкции указанного ответственного силового узла двигателя в качестве основы для данного типа элементов качения взята, так называемая «колесная пара» железнодорожного вагона, которая известна не только простотой, но и высокой надежностью своей конструкции.
Каждая колесная пара из двух установленных на плоский диск радиального эксцентрика 22 состоит из одной монолитной цилиндрической детали (фиг. 7), в которой вдоль ее оси в средней части располагается несколько утонченная ось 31, на обоих краях которой соосно и жестко по одному закреплены диски двух колес 32 большего диаметра, чем диаметр оси 31. Осевая ширина оси 31 равна двойной ширине каждого колеса 32. При этом ось 32 с возможностью соосного и скользящего вращения установлена в сквозном радиальном отверстии 33 плоского диска 22 радиального эксцентрика параллельно его оси. Таким образом, ось 31 колесной пары при вращении скользит по внутренне цилиндрической поверхности отверстия 33. Таких отверстий на диске 22 две штуки, причем их оси в профиле располагаются на геометрической линии центральной окружности, а угол развала между ними составляет 120 градусов. Также в диске 22 радиального эксцентрика соосно с каждым отверстием 33 со стороны обеих плоскостей диска 22 выполнены несквозные полукруглые углубления 34, каждое из которых имеет линейный радиальный выход на наружную поверхность диска 22 для монтажа соосного размещения в них колес 32 колесной пары (фиг. 8, фиг. 9). Причем колеса 32 не касаются своей наружной поверхностью поверхностей внутренних несквозных отверстий 34.
Установка каждой колесной пары на радиальный эксцентрик производится снаружи в радиальном направлении. В сборе радиальный эксцентрик 22 с колесными парами устанавливается соосно в сквозное цевочное отверстие 23 цевочного среднего диска 15 ротора 10, при этом наружные круговые поверхности колес 32 колесных пар находятся в точечном катящем контакте с цилиндрической поверхностью отверстия 23 (фиг. 10, фиг. 11). Таким образом, каждый диск радиального эксцентрика 22 имеет два внутренних подшипника скольжения - с цевкой 21 вала и с осью 31 колесной пары, а также один наружный подшипник качения, между двумя колесами 32 двух колесных пар и отверстием 23 диска 15 ротора 10.
Предложенный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий в своем составе круговой цевочно-эпитрохоидный узел ползуна, может использовать для своей работы ротор не только с тремя, но и с другим целым числом своих радиальных граней.
Список использованной литературы:
1. А.С. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ. ред. В.И. Крутова «Теплотехника», Учебник для студентов втузов, Издательство «Машиностроение», Москва 1986 год, стр. 220-225, Рис. 5.1, 5.3, 5.4, 5.5.
2. А.П. Панычев, А.П. Пупышев, Д.В. Кутузов «Устройство и принцип работы роторно-поршневого двигателя MAZDA RX-8», Редакционно-издательский отдел УГЛТУ (Уральский Государственный Лесотехнический Университет), Екатеринбург 2012 год, стр. 9 рис. 3, стр. 10 рис. 4, стр. 15 рис. 10.
3. Патент RU 2778194 С1 от 14.12.2021, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/00.