Бесшатунный роторный двигатель
CONROD-FREE ROTARY ENGINE

Изобретение предназначено для использования в двигателестроении и в других отраслях. Двигатель может быть использован в качестве источника механической энергии машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, для привода различных промышленных и бытовых агрегатов.
Известна поршневая машина, (патент РФ на изобретение №2163973, 10.03.2001, бюл. №7), которая содержит цилиндры с поршнями, установленные оппозитно на кронштейнах силовой рамы, расположенный между поршнями вал с дисками, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены профильные беговые дорожки (эллиптические канавки) в виде непрерывных ручьев, в цилиндрах выполнены боковые прорези, в которых скользят поршневые пальцы, взаимодействующие посредством роликовых опор с боковыми поверхностями ручьев обоих дисков. Каждый поршень имеет два днища, между которыми установлен поршневой палец, а каждый цилиндр с торцов закрыт головками с впускными и выпускными клапанами и имеет боковые приливы для крепления кронштейнов с подшипниковой опорой вала.
Недостатками поршневой машины являются: "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек (ВМТ И НМТ); большой износ роликов и кромок эллиптических канавок; большой износ стенок боковых прорезей в цилиндрах и пальцев; низкая надежность двигателя.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), принятый за прототип (патент РФ на изобретение №2167321, опубл. 20.05.2001, бюл. №14), который содержит корпус, четыре пары оппозитно расположенных цилиндров, восемь поршней, жестко соединенных штоками с валами роликов и расположенных в цилиндрах с образованием рабочих камер (камер сгорания), и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное прикреплен к валам отбора мощности и выполнен из двух маховиков, расточенных на торце овалевидными (эллиптическими) канавками для скольжения рабочих роликов. Две опорные планшайбы жестко прикреплены к корпусу двигателя и имеют четыре паза для скольжения опорных роликов. Имеются две пары валов, на концах которых запрессованы опорные и рабочие ролики, которые позволяют преобразовать возвратно-поступательное движение во вращательное, обеспечивая каждому обороту вала восемь тактов "Рабочий ход".
С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: корпус, в котором расположены цилиндры с камерами сгорания и поршнями, жестко соединенные штоками с валами роликов, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Недостатки прототипа: низкая надежность двигателя, вызванная высоким износом роликов и кромок эллиптических канавок; большое трение в местах прохода штоков поршней.
Изобретение направлено на повышение надежности двигателя.
Это достигается тем, что бесшатунный роторный двигатель содержит корпус, в котором расположены цилиндры с камерами сгорания и поршнями, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Поршни жестко соединены штоками с валами роликов. В предложенном решении на корпусе для каждого из цилиндров закреплен контакт зажигания и установлен ротор, внутри которого выполнена эллиптическая полость с двумя выступами зажигания и тремя Т-образными эллиптическими канавками. Цилиндры своей средней частью закреплены под углом 120° друг к другу на корпусе последовательно вдоль оси ротора и перпендикулярно оси ротора. Каждый цилиндр содержит два поршня, одну камеру сгорания и свечу зажигания. На каждом поршне закреплены два параллельных штока, свободные концы которых выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника. На противоположных концах штоков закреплен вал с двумя роликами.
На каждом поршне, для уменьшения его давления на стенки цилиндра и поворота вокруг своей оси, закреплены два параллельных штока, свободные концы которых, в целях уменьшения трения выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника. На других концах штоков закреплен вал с двумя роликами механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Ротор состоит из выходного вала и эллиптической полости, внутри которой выполнены три Т-образные эллиптические канавки. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное состоит из вала с двумя роликами и эллиптической канавки.
Предотвращение поворота поршня вокруг своей оси за счет применения параллельных штоков исключает перекос вала с роликами во время движения внутри эллиптической канавки, тем самым уменьшает износ роликов и кромок эллиптической канавки. Поршни в цилиндре кинематически связаны через синхронизирующий механизм.
В отличие от кривошипно-шатунного механизма синхронизирующий механизм двухтактного бесшатунного ДВС воспринимает только разность сил, действующих на противоположные поршни, которая при нормальной работе двухтактного бесшатунного ДВС сравнительно мала. Роль синхронизирующего механизма выполняют ролики и эллиптическая канавка.
В соответствии с предложенным изобретением три цилиндра расположены под углом 120°, оси которых пересекаются на оси ротора двигателя с обеспечением симметрии и сбалансированности работы двигателя. В каждый момент времени двигатель совершает рабочий ход, исключая "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек. Ротор двигателя может вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки в зависимости от направления запуска, то есть двигатель является реверсивным.
Известен принцип работы двухтактного свободнопоршневого ДВС каждого из цилиндров бесшатунного роторного двигателя [Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей // Под редакцией А.С. Орлина и М.М. Круглова. 4-е издание. Москва «Машиностроение». 1990. §37. С. 261]. Поршни разведены в стороны и находятся в нижних мертвых точках (НМТ). Поршни перемещаются от НМТ нижней к верхней ВМТ, перекрывая сначала продувочные, а затем выпускные окна. После закрытия поршнями выпускных окон в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в камерах под поршнями вследствие их герметичности и после того как поршни перекрывают продувочные окна, под поршнями создается разряжение, под действием которого через впускные окна и приоткрытые клапана поступает горючая смесь в камеры сгорания под поршнями. При положении поршней около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется от свеча зажигания. Под действием теплового расширения газов поршни перемещаются в противоположные стороны к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, двигаясь к НМТ, поршни создает высокое давление в камерах под поршнями, сжимая горючую смесь в них. Под действием давления клапаны закрываются, не давая, таким образом, горючей смеси выходить назад из камер. Когда поршни дойдут до выпускных окон они открываются и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршни открывают продувочные окна и сжатая в камерах под поршнями горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен разрез двигателя вдоль продольной оси вращения ротора, фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1.
Двигатель содержит корпус 1. на котором закреплен блок из трех цилиндров 2,3,4 и установлен ротор 5. При этом цилиндры 2. 3. 4 своей средней частью закреплены под углом 120° друг к другу на корпусе I последовательно вдоль оси ротора 5 и перпендикулярно оси ротора. На корпусе 1 для каждого из цилиндров закреплен контакт зажигания 6. Каждый из цилиндров 2,3,4 содержит по два поршня 7 и 8, камере сгорания 9 и свече зажигания 10. На каждом поршне 7 и 8 закреплены два параллельных штока 11, свободные концы которых выведены за пределы корпуса 1 через два линейных подшипника 12. На противоположных концах штоков 11 закреплен вал 13 с двумя роликами 14.
Ротор 5 имеет эллиптическую полость, внутри которой выполнены три (по количеству цилиндров) Т-образные эллиптические канавки 15 и два выступа зажигания 16.
При этом поршень с параллельными штоками, на концах которых закреплен вал с двумя роликами, вместе с эллиптическими канавками образуют механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Двигатель работает следующим образом.
Исходное положение. Ротор 5 зафиксирован при вращении по часовой стрелке. Поршни 7 и 8 цилиндра 2 разведены в стороны и находятся в НМТ в готовности к такту сжатия. Поршни 7 и 8 цилиндра 3 находятся на пути от ВМТ к НМТ в режиме такта рабочего хода. Поршни 7 и 8 цилиндра 4 находятся на пути от НМТ к ВМТ в режиме такта сжатия.
Рассмотрим работу двигателя на примере цилиндра 2. Ротор 5 вращается относительно корпуса 1 по часовой стрелке за счет рабочего хода цилиндра 3.
Поворот ротора от 0° до 90°.
а) Такт сжатия. Ротор 5, прокатываясь своей канавкой 15 по роликам 14 вала 13, нажимает штоками 11 через линейные подшипники 12 на поршни 7 и 8, двигая их от НМТ к ВМТ в цилиндре 2, сжимая горючую смесь в камере сгорания 9. В момент когда малая ось эллиптической канавки 15 совпадет с осью цилиндра 2, поршни 7 и 8 будут находиться в ВМТ, в камере сгорания 9 будет сжата горючая смесь. Ротор 5 своим выступом зажигания 16 замыкает контакт зажигания 6 на корпусе 1. Подается напряжение на свечу зажигания 10. Начинается такт рабочего хода.
Поворот ротора от 90° до 180°
б) Такт рабочего хода. Поршни 7 и 8 за счет давления сгоревших газов двигаются от ВМТ к НМТ и через штоки 11, с линейными подшипниками 12, нажимают на вал 13 с роликами 14, которые прокатываясь по эллиптической канавке 15, поворачивают ротор 5, совершая полезную работу.
Поворот ротора от 180° до 270°
см. а) Такт сжатия.
Поворот ротора от 270° до 360°
см. б) такт рабочего хода.
Таким образом, цилиндр 2 за один оборот ротора 5 совершает два рабочих хода. Одновременно с цилиндром 2 аналогично работают цилиндры 3 и 4. Итак, за один оборот ротора 5 совершаются шесть рабочих ходов, причем в каждый момент времени совершается рабочий ход, тем самым исключается "замирание" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек.
Далее циклы повторяются.
Из всего вышесказанного следует, что использование предложенного изобретения приводит к исключению "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек; уменьшению бокового давления поршней на стенки цилиндров, обеспечению сбалансированности двигателя, уменьшение износа роликов и кромок эллиптических канавок; уменьшению трения в местах прохода штоков поршней за счет линейных подшипников, установленных в корпусе, тем самым увеличивая ресурс работы двигателя, обеспечению реверсирования двигателя. В результате этого повышается надежность двигателя.