СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ И РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ХОЛОДНОГО
OPERATING METHOD OF ROTARY ENGINE, AND ROTARY ENGINE BY KHOLODNY

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.
Известен способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания Ванкеля, включающий преобразование потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинематическую энергию движущихся рабочих элементов (ротора) в замкнутом объеме рабочей камеры, ограниченном поверхностями неподвижного корпуса и подвижного ротора четырехтактными циклами в соответствующих полостях и передачи энергии на вал отбора мощности. Такой способ реализован в роторно-поршневом двигателе Ванкеля, который содержит корпус, имеющий рабочую полость, выполненную по эпитрохонде; вал отбора мощности - эксцентриковый вал, с которого снимается мощность, и свободно установленный на этот вал треугольный ротор с выпуклыми сторонами. В корпусе имеются впускные и выпускные окна, установлена свеча зажигания или форсунка. Ротор совершает круговое движение и одновременно вращается вокруг оси благодаря зубчатому колесу с внутренними зубьями, которое находится в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом, расположенным соосно с эксцентриковым валом. Движение ротора планетарное, и за каждый оборот ротора эксцентриковый вал делает три оборота. Вследствие планетарного движения ротора между ротором и корпусом образуются три изолированные полости и их объем за один оборот ротора дважды увеличивается и дважды уменьшается. Это позволяет в каждой из полостей за один оборот ротора последовательно осуществлять процессы впуска, сжатия, сгорания и расширения (рабочий ход), выпуска, составляющие четырехтактный цикл, или за три оборота эксцентрикового вала отбора мощности (Богданов С.Н. и др. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987, стр.356-358, рис.199).
Однако способ и двигатель Ванкеля имеют недостаток в той части, что несмотря на достигнутое в 2-3 раза уменьшение массы и габаритов основные мощностные характеристики для этих параметров сохранились на уровне обычных двигателей внутреннего сгорания. Его высокая трудоемкость из-за сложного профиля цилиндра и ротора снижают его достоинства (http://www.rotor-motor.ru/page03.htm).
Наиболее близким аналогом для способа, принятым за прототип, является роторный двигатель по патенту RU 2343290 С2, F01C 1/07, 10.01.2009 г., который работает по способу, признаки которого частично содержатся в заявленном и материализованному в роторном двигателе по заявленному изобретению.
Известный способ работы роторного двигателя включает преобразование потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинетическую энергию движущихся рабочих элементов в замкнутом объеме рабочей камеры с последующей передачей упомянутой кинетической энергии на вал отбора мощности, при этом кинетическую энергию образуют посредством прерывистого вращения рабочих элементов, например поршней, по круговой траектории с разными угловыми скоростями, осуществляя последовательно такты впуска, сжатия, рабочего входа и выпуска.
Этот способ материализован в роторном двигателе с рабочим цилиндром тороидального профиля, со сквозным непрерывным окружным пазом и стенками, сложной системой уплотнений, что делает его нетехнологичным в изготовлении и дорогим. Другим недостатком является то, что поршни вращаются прерывисто и не непрерывно по круговой траектории в одном направлении. Это обусловлено тем, что в момент воспламенения смеси, а он совпадает, когда сжатая до максимума горючая смесь подается к свече зажигания, находящейся в зоне мертвой точки, и расширяющиеся газы поворачивают одну пару поршней по часовой стрелке, а другую против и останавливая ее. Таким образом нарушен процесс непрерывности преобразования энергии рабочего тела в механическую. Требуются затраты вырабатываемой энергии на разгон маховиков, чтобы преодолеть мгновенную остановку поршней. Это снижает КПД двигателя примерно на 30-40%. Двигатель будет работать с рывками, что приводит к более быстрому износу зубчатых передач и разбалтыванию его рычажной системы, созданию вибрации и повышенного шума (пат. RU 2343290 С2).
Этот недостаток роторных двигателей по этой причине отмечен в статье «Роторные двигатели» в Интернете (http://www.rotor-motor.ru/page03.htm, стр.1, абзац 2).
Известен роторный двигатель, который содержит роторную и приводную камеры, которая выполнена в виде полого цилиндра с двумя парами поршней, выполненных в виде кольцевых секторов, связанных с телескопическим ротором. В его приводной камере размещен механизм преобразования движения поршней в энергию вращения вала отбора мощности, выполненный в виде пары рычагов, соединенных с телескопическим ротором, и кулисы. Последняя шарнирно установлена на валу отбора мощности. Рычаги имеют на концах ролики, взаимодействующие с дорожками кулисы. Кулиса также имеет ролики, которыми она опирается на торцевой кольцевой копир с участками высокого и низкого профиля (авт. свид. SU 1318704 A1, F02B 55/00, 1987).
Данный механизм не может обеспечить четкое выполнение тактов работы двигателя во времени. Так, при повороте кулисы от кольцевого копира с высокого на низкий участки или наоборот возникает нейтральное положение позиции 18, когда ролики не контактируют с дорожками кулисы. В этом переходном положении поршни зависают, т.е. они могут остановиться, пойти назад или вперед. Когда в конце переходного положения кулиса переходит за счет остаточной инерции механизма с максимума на минимум профиля копира или наоборот, происходит удар кулисы по роликам, нарушая ритм движения поршней, такты «растягиваются» или «сжимаются». Нарушается равномерность, возникает неравномерное вращение, сопровождающееся ударной нагрузкой. Кроме того, ролики с кулачковыми дорожками контактируют с трением скольжения при высоких контактных нагрузках, которые приводят к нагреву элементы ролик-кулак, система расширяется, а отсутствие системы компенсаторов приведет к заклиниванию звена ролики 12 и 14 с беговой дорожкой кулисы 18, фиг.3. Это приведет к остановке двигателя и возможной поломке. Практически эта схема неработоспособна.
Наиболее близким к заявленному изобретению на роторный двигатель по своей технической сущности является роторный двигатель, в котором функционально совпадают происходящие термодинамические процессы в четырехтактном режиме, имеется максимальное количество конструктивных признаков, совпадающих по их функциональному назначению (пат. US 1676211 A, F01C 1/00, 1928).
Роторный двигатель содержит корпус, включающий роторную и привода камеры, смонтированный в корпусе телескопический ротор, выполненный в виде втулки и размещенного в ней вала, вал отбора мощности, планетарную передачу, установленные в роторной камере четыре поршня с возможностью их вращения с телескопическим ротором относительно оси двигателя, свечу зажигания и кривошипно-шатунные механизмы, кинематически связанные с планетарной передачей и валом отбора мощности. Роторная камера выполнена в виде полого тороидального цилиндра, состоящего из двух половин со сквозным непрерывным окружным пазом и состыкованных болтовым соединением. В корпусе имеются сопла всасывания горючей смеси и выхлопа газов. К основному недостатку двигателя необходимо отнести нетехнологичность тороидальной роторной камеры, сложность ее изготовления и уплотнения поршней в камере.
Кроме того, положение кривошипов, находящихся в противофазе, соответствует их одновременному положению в двух мертвых точках, создаваемых механизмом. В этот момент происходит их затормаживание и скорость вращения падает до нуля. Чтобы этого не произошло, создаются инерционные силы путем дополнительной установки маховиков на коленчатых валах. Для их постоянного разгона используется часть вырабатываемой двигателем энергии, снижая тем самым его КПД. Кроме того, сдвиг с мертвой точки кривошипно-шатунных механизмов создает в работе двигателя микротолчки, приводящие к преждевременному износу его деталей, вибрации и усилению шума.
Еще одним недостатком является наличие большой инерционной массы маховиков в составе камеры привода, выполняющей функции механизма периодического изменения скоростей, что влечет к увеличению габаритов,
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа работы роторного двигателя и на его основе самого двигателя, который обеспечивал бы непрерывность вращения рабочих элементов в одном направлении, например поршней, по круговой траектории, и за счет этого добиться упрощения конструкции, повышения надежности и КПД двигателя.
Данная задача решается способом работы роторного двигателя, включающем процессы преобразования потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинетическую энергию с последующей передачей кинетической энергии на вал отбора мощности посредством попарно и оппозитно расположенных с угловым смещением поршней, вращающихся с разными угловыми скоростями по круговой траектории в замкнутом объеме рабочей камеры, осуществляя последовательно такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Согласно изобретению в рабочей камере поршни вращаются непрерывно, после окончания сжатия один поршень догоняет другой примерно за 15° до точки отсчета, в качестве которой принято место положение свечи зажигания, далее поршни совершают совместное движение, проходя участок запальной камеры, равный примерно 30°, на замедленной скорости, смесь возгорается и расширяется, вследствие чего один поршень получает ускорение и отрывается от другого поршня, обеспечивая такт рабочего хода.
Таким образом, способ закладывает программу его материализации в кинематике работы механизмов, обеспечивающих непрерывность и плавность процессов, создающих такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа, исключая негативные явления мертвых точек в механизмах двигателя.
Заявленный способ материализован в роторном двигателе, содержащем корпус, смонтированный в корпусе телескопический ротор, выполненный в виде вала с втулкой на нем, поршни, смонтированные на валу и на втулке, оппозитно расположенные попарно с угловым смещением и выполненные с возможностью непрерывного вращения по круговой траектории с разными угловыми скоростями, свечу зажигания, планетарный механизм, кинематически связанный с валом отбора мощности и с ротором, сопла всасывания горючей смеси и выхлопа газов, корпус разделен на камеру привода и роторную камеру перегородкой.
Отличительной особенностью двигателя является то, что двигатель включает сапун для удаления газов из роторной камеры, роторная камера армирована гильзой, имеющей цилиндрический профиль, и проставками, поршни выполнены в виде кольцевых секторов, корпус закрыт крышками, в одной из которых закреплена букса, за одно с которой выполнено солнечное колесо планетарного механизма, в отверстии буксы на подшипниках установлен вал отбора мощности с жестко закрепленным на нем водилом, сателлитные шестерни, зацепляющиеся с солнечным колесом, закреплены на концентрично расположенных и подвижно установленных на водиле кривошипах с эксцентриками, двигатель включает жестко связанный с водилом, подвижно установленный на втулке ротора и опирающийся на подшипник, размещенный в перегородке, диск, на котором подвижно установлены концентрично расположенные эксцентрики дополнительных кривошипов, связанные с эксцентриками кривошипов водила посредством осей, на которых установлены шатуны, шарнирно связанные посредством серьг с валом и втулкой ротора.
В целом это обеспечивает непрерывность движения поршней в одном направлении по круговой траектории без толчков и потери вырабатываемой мощности, повышает плавность работы двигателя без вибрации, его надежность и КПД.
Способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез двигателя; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 с показом кривошипно-шатунного механизма; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1 с показом планетарного механизма; на фиг.4 показано положение I поршней в начальный момент перед запуском двигателя; на фиг.5 - положение II поршней в момент их сближения по завершении такта сжатия; на фиг.6 показано положение III поршней в момент возгорания сжатой смеси; на фиг.7 - положение IV поршней перед началом рабочего хода в момент ускорения переднего поршня.
Способ осуществляется следующим образом.
На фиг.4 представлено условное исходное положение ротора, например крестообразно попарно оппозитно расположенных поршней 1, 3 и 2, 4 в камере, образованной поверхностями неподвижного корпуса и подвижными элементами ротора, состоящего из вала и свободно вращающейся на нем втулки. Поршни попарно оппозитно закреплены на валу и втулке ротора с возможностью вращения веерообразно с разными угловыми скоростями. Воспламенение осуществляется от запальной камеры с постоянным искрением свечи. В таком положении открыты окна всасывания и выхлопа. На фиг.4 показано, что поршни в замкнутом пространстве образуют полости всасывания - Г, сжатия - Д, рабочего хода - Е, выхлопа - Ж, при этом в ходе термодинамических процессов, происходящих в течение одного цикла, объемы их меняются. За точку отсчета процессов принимаем, как показано на фиг.6, место положение свечи зажигания. При помощи, например, стартера осуществляют разгон ротора с поршнями.
Рассмотрим процессы, происходящие в рабочих полостях при различных положениях ротора.
При положении I происходит всасывание смеси в полость Г, полость Д наполнена смесью, в запальной камере постоянно искрит свеча, полость Ж выхлопа открыта, поршни 1 и 3 заторможены, центр их совпадает с точкой 6 отсчета процессов, поршни 2 и 4 получают ускорение. В полости Д, объем которой стал минимальным, заканчивается процесс сжатия смеси и примерно за 15° до точки 6 отсчета процессов поршень 4 догоняет поршень 1 (положение II) и с некоторым технологическим зазором продолжают совместно двигаться еще примерно 15°, проходя запальную камеру 7 (Положение III). Смесь возгорается. Поршень 1 получает ускорение и отрывается от поршня 4, в полости Д начинается такт рабочего хода (положение IV).
В это же время оппозитно расположенный поршень 2, быстро двигаясь, выжимает из полости Ж газы, осуществляя такт выхлопа, и догоняет поршень 3, который обеспечивает всасывание в полость Г. Поршни 2 и 3 аналогично проходят зону между выхлопом и всасыванием. Поршень 3 перекрывает окно всасывания, получив ускорение осуществляет процесс сжатия. Поршень 2 подходит к окну всасывания.
К начальной позиции, положение I, ротор сделает один оборот, т.е. провернется на 360°, осуществив два четырехтактных цикла. Движение поршней напоминает веерное. Далее цикл повторяется.
В соответствии с цикловой диаграммой и кинематикой двигателя, передающей движение от поршней на вал отбора мощности (ВОМ), последний сделает один оборот за два оборота телескопического ротора 17 с поршнями 1, 2, 3 и 4.
Роторный двигатель включает оппозитно расположенные попарно с угловым смещением поршни 1, 2, 3 и 4, выполненные в виде кольцевых секторов, охладители 5, точку 6 начала и конца отсчета процессов, запальную камеру 7, рабочий цилиндр 8, корпус 9, разделенный на камеры привода 10 и роторную 11 перегородкой 12. Корпус 9 закрыт крышками 13 и 14. В крышке 13 закреплена букса 15, в которой на подшипниках смонтирован вал 16 отбора мощности (ВОМ). В корпусе 9 смонтирован телескопический ротор 17, состоящий из вала 18 и втулки 19, подвижно посаженной на вал 18, установленный на подшипниковых опорах 20 и 21. В роторной камере 11 на валу 18 жестко закреплена втулка 22, а на втулке 19 жестко закреплена втулка 23. Поршни 1 и 3 попарно и оппозитно жестко закреплены на втулке 22, например, винтами 24. Роторная камера 11 с поршнями 1, 2, 3 и 4 образуют рабочий цилиндр 8.
Поршни 2 и 4 попарно и оппозитно жестко закреплены на втулке 23, например, винтами 25. Камера 11 армирована гильзой 26, имеющей цилиндрический профиль, и проставками 27 и 28. Корпус 9 может быть цельным или составным, в котором камеры 10 и 11 соединяются посредством резьбового соединения 29. Опора 20 размещена в правой крышке 14, а опора 21 в подшипнике 30 ВОМ 16, находящегося в полости камеры привода 10, в которой смонтирован приводной механизм ВОМ 16. На левом конце вала 18 жестко закреплена серьга 31, а на втулке 19 серьга 32. В камере 10 смонтирован планетарный механизм 33, включающий солнечное колесо 34, выполненное как частный случай за одно с буксой 15, две сателлитные шестерни 35 и 36, установленные с возможностью обкатывания по солнечному колесу 34. На конце вала 16, расположенного в камере 10, жестко закреплено водило 37 планетарной передачи 33, в котором концентрично расположены отверстия, в которых на подшипниках установлены кривошипы 38 и 39 с эксцентриками 40 и 41, на концах кривошипов 38 и 39 соответственно установлены сателлитные шестерни 36 и 35. Планетарный механизм 33 связан с ротором через промежуточное звено, которое включает оппозитно водилу 37 смонтированный в камере 11 диск 42 со ступицей, подвижно установленный на втулке 19 и опирающийся на подшипник 43, размещенный в перегородке 12. В диске 42 имеются аналогично водилу 37 оппозитно расположенные отверстия, в которых на подшипниках установлены кривошипы 44 и 45 с эксцентриками 46 и 47. Водило 37 и диск 42 жестко связаны шпильками 48.
Эксцентрики 40 и 46, 41 и 47 попарно связаны мотылевыми шейками 49 и 49', на которых установлены шатуны 50 и 51 посредством осей 52 и 53, связанных соответственно серьгами 32 и 31. Кривошипы 38 и 44 с эксцентриками 40 и 46, связанные мотылевыми шейками 49 с шатуном 50, образуют один кривошипно-шатунный механизм 54. Кривошипы 39 и 45 с эксцентриками 41 и 47, связанные мотылевой шейкой 49' с шатуном 51, образуют другой кривошипно-шатунный механизм 55. Оба кривошипно-шатунных механизма связаны с телескопическим ротором через установленные на валу 18 со смещением серьги 31 и 32, создавая уравновешивающуюся систему (фиг.2). Кривошипно-шатунные механизмы с составным коленчатым валом в изобретении являются частным случаем исполнения, как вариант опытного образца, но кованые или литые коленвалы более прогрессивны.
Мотылевые шейки 49 и 49' кривошипно-шатунных механизмов смещены одна относительно другой на заданный угол опережения зажигания, устанавливаемый в зависимости от используемой горючей смести (фиг.2), которые исключают негативные явления, обуславливаемые наличием мертвых точек, присущих кривошипно-шатунным механизмам, как то: замедление движения поршней до нуля или их движение назад. При этом одна из мотылевых шеек 49 совпадает с вертикальной осью двигателя, а другая 49' смещена под некоторым углом к вертикальной оси двигателя (фиг.2). Оси 52 и 53, связывающие серьги 31 и 32 с шатунами 50 и 51, смещены относительно друг друга по обе стороны от горизонтальной оси двигателя (фиг.2). Это позволяет создать смещение такта начала рабочего хода относительно точки 6 начала отсчета процессов на заданный угол опережения зажигания, устанавливаемый в зависимости от используемой горючей смеси. При этом рабочий ход начинается после прохождения поршнем 1 мертвой точки, совпадающей с точкой 6, и дальнейшим ускоренным движением поршня 1, задающего вращение верхнему коленвалу. В это время нижний коленвал с опережением проходит нижнюю мертвую точку, не позволяя останавливаться поршням.
Для определения положения тактов по цикловой диаграмме, т.е. начала отсчета процессов и т.д., пространственного положения и взаимосвязи деталей и механизмов двигателя условно приняты геометрические, горизонтальные и вертикальные оси двигателя.
В корпусе 9 смонтированы свеча зажигания 56, сопло 57 всасывания горючей смеси и сопло 58 для выхлопа газов, а также сапун 59 для удаления газов из камеры 11, отверстие 60 для подачи воды в охладители 5.
В двигателе предусмотрена система смазки движущихся элементов, для этого в крышке 14 предусмотрено отверстие.
Двигатель работает следующим образом.
После разгона телескопического ротора 17 вместе с поршнями 1 и 3, 2 и 4 от внешнего источника, например стартера, через сопло 57 в полость Г подается рабочая смесь, полость Д уже заполнена рабочей смесью, в запальной камере постоянно искрит свеча, полость Ж выхлопа открыта, поршни 1 и 3, замедляя движение, пересекают запальную камеру, поршни 2 и 4 получают ускорение, смесь в полости Д сжимается, объем ее становится минимальным, заканчивается такт сжатия (положение I переходит в положение II, фиг.2 и 5).
Не доходя примерно 15° до точки 6 начала отсчета (положение II), когда поршень 4 догнал поршень 1, но не соприкасаясь, так чтобы между поршнями сохранялся некоторый технологический зазор, поршни 4 и 1 двигаются совместно, проходя следующий участок запальной камеры, равный примерно еще 30°, на замедленной скорости (положение III). Смесь возгорается и расширяется, вследствие этого поршень 1 получает ускорение и отрывается от поршня 4, полость Д занимает позицию полости Е и начинается рабочий ход (положение IV).
В это же время начинает синхронное совместно с поршнями 4 и 1 движение поршень 2, вытесняя отработавший газ в сопло выхлопа, перемещаясь в положение I, догоняет поршень 3 и они начинают передвигаться совместно.
За полоборота ротора осуществлен один рабочий такт и за следующие полоборота еще один рабочий такт. Поршни 1 и 3 передают вращение валу 18, поршни 2 и 4 втулке 19, вал 18 через серьгу 31, шатун 51, эксцентрики 41 и 40 через водило 37, а поршни 2 и 4 через серьгу 32, шатун 50, эксцентрики 46 и 47 через диск (водило) 42 приводят во вращение сателлитные шестерни 35 и 36, которые, откатываясь по солнечному колесу 34, задают скорость вращения валу отбора мощности 16. При передаточном отношении планетарного механизма 33, равном, например, 1:2, за два оборота ротора или за четыре такта ВОМ 16 сделает один оборот.
Далее цикл повторяется непрерывностью вращения ротора с поршнями.
Источники информации
1. С.Н.Богданов и другие. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987, стр.356-358.
2. Заявка RU №95105837, F01C 1/06, 1995 г.
3. Заявка RU №99126618, F01C 3/00, 1999 г.
4. Патент RU №2105891, F02B 57/00, 1995 г.
5. Патент RU №2189470, F02B 53/08, 2000 г.
6. Патент RU №2298678, F02B 57/00, 2004 г.
7. Патент RU №2343290 C2, F01C 1/07, 2009 г. - прототип.
8. Авт. свид. SU №1318704 A1, F02B 55/00, 1987 г.
9. Патент US №1676211 A, F01C 1/00, 1928 г. - прототип.