РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, более конкретно, к конструкции роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, ось цилиндра которых совпадает с осью вращения выходного вала. Полезная модель может найти применение при разработке и создании стационарных или транспортных энергетических установок различного назначения.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус эпитрохоидного сечения, расположенные внутри него трехгранный ротор, планетарные шестерни и эксцентриковый вал (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Изд. 3-е, перераб. и дополн. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М., «Машиностроение», 1980, с.261).
Особенностью известного двигателя Ванкеля является то, что ротор совершает сложное планетарное движение, обеспечивая формирование в корпусе рабочих камер переменного объема, причем за три оборота эксцентрикового вала совершается один полный оборот ротора и в каждой из трех рабочих полостей совершается полный четырехтактный цикл.
К недостаткам известного двигателя внутреннего сгорания следует отнести сравнительно сложную и недостаточно надежную систему уплотнений в углах ротора. Весь перепад давлений между камерой сгорания и полостью, в которой осуществляется сжатие, воспринимается одним уплотнением в виде пластины, контактирующей с корпусом по линии. Это приводит к быстрому износу уплотнения, большим утечкам газа из камеры сгорания и снижению моторесурса роторно-поршневого двигателя. При износе уплотнений выходит из строя весь двигатель.
10
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, расположенный внутри него поршень и устройство для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, расположенного под прямым углом к оси цилиндра (см. патент ФРГ №1222316, публикация 1966 г., кл. 46а, 3/01).
Особенностью известного двигателя является наличие кулачкового передаточного механизма с поступательно движущейся парой между поршнем и валом, причем ось вращения передаточного механизма параллельна оси цилиндра, а криволинейные направляющие передаточного механизма вращаются во взаимно противоположных направлениях.
Недостатком известного двигателя является сравнительно низкая стойкость рабочих поверхностей кулачкового передаточного механизма и роликов крестовины поршня из-за высоких знакопеременных нагрузок в зоне их контакта. Это в значительной степени ограничивает надежность и ресурс двигателя.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, расположенный внутри него поршень и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала (см. авт.св. СССР №64729, МКИ F02в 55/02, опубл. 31.05.1945 г. - прототип).
Особенностью известного двигателя является наличие кулачкового передаточного механизма с неподвижным относительно корпуса криволинейным направляющим пазом седлообразной формы, по которому движутся ролики крестовины поршня. Поступательно движущаяся пара и роликовая муфта между квадратным штоком поршня и выходным валом обеспечивают равные скорости вращения поршня и вала относительно корпуса двигателя. При этом оси выходного вала, цилиндра, передаточного механизма и роликовой муфты совпадают.
Известный двигатель снабжен свечой зажигания и системой щелевого газораспределения, включающей газораспределительный канал в поршне с фигурными окнами в стенках цилиндра для сообщения полости цилиндра с выхлопным и всасывающим трубопроводами. В известном двигателе за один оборот выходного вала совершаются четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп.
К недостаткам известного роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания следует отнести также низкую стойкость рабочих поверхностей кулачкового передаточного механизма, роликов крестовины поршня и муфты из-за высоких знакопеременных напряжений в зоне контакта указанных элементов, что в значительной степени ограничивает надежность устройства для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала и, соответственно, ресурс двигателя. Особенно это сказывается при больших оборотах выходного вала и повышенной мощности двигателя.
Решаемой задачей полезной модели является создание роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, сочетающего достаточно высокие тактико-технические характеристики типичного поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом и повышенную надежность дифференциального механизма с коническими зубчатыми колесами для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение соосного с ним выходного вала.
Решение указанной задачи достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, расположенный внутри него поршень и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, согласно полезной модели, двигатель содержит кривошипно-шатунный механизм, размещенный внутри дифференциального механизма с коническими зубчатыми колесами, причем коленчатый вал установлен между первым и вторым сателлитами дифференциального механизма и связан через шатун с поршнем двигателя, первый сателлит закреплен на коренной шейке коленчатого вала, второй сателлит свободно установлен на его второй коренной шейке, первое центральное колесо дифференциального механизма закреплено в корпусе двигателя и снабжено отверстием для свободного перемещения шатуна, а второе центральное колесо установлено на выходном валу двигателя.
Кроме того, передаточное отношение центральных колес и сателлитов может быть равно кратным целому числу, преимущественно, 1, 2, 4.
Кроме того, двигатель может быть снабжен системами клапанного и/или щелевого газораспределения, подачи топлива с внешним или внутренним смесеобразованием, принудительного воспламенения, воздушного или жидкостного охлаждения, смазки разбрызгиванием или под давлением.
Кроме того, система щелевого газораспределения может включать газораспределительный канал в поршне и фигурные окна в стенках цилиндра для сообщения полости цилиндра с выхлопным и всасывающим трубопроводами.
Такое выполнение двигателя внутреннего сгорания позволяет решить поставленную задачу создания эффективного и надежного роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, благодаря использованию технически и технологически совершенной рабочей пары цилиндр-поршень с традиционным уплотнением рабочего объема поршневыми кольцами совместно с дифференциальным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя. Предложенный двигатель обладает широкими возможностями для его модернизации и, прежде всего, систем газораспределения, топливоподачи и преобразования механической мощности. При этом имеется возможность варьирования передаточного отношения центральных колес и сателлитов дифференциального механизма в указанном диапазоне целых чисел. В частности, при отношении 1:1 один оборот выходного вала двигателя соответствует двум ходам поршня (вверх - вниз), при отношении 2:1 имеем на один оборот выходного вала 4 хода поршня, при отношении 4:1, соответственно, 8 ходов.
На фиг.1 схематически показано сечение роторно-поршневого двигателя с воздушным охлаждением, искровым зажиганием и щелевой системой газораспределения при передаточном отношении колес дифференциала 2:1.
Двигатель содержит цилиндр 1, расположенный внутри него поршень 2 и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня 2 во вращательное движение выходного вала 3. Двигатель содержит дифференциальный механизм с коническими зубчатыми колесами, между первым и вторым сателлитами 4, 5 которого установлен кривошипно-шатунный механизм, связанный с поршнем 2 двигателя.
Первый сателлит 4 закреплен на коренной шейке 6 коленчатого вала 7, второй сателлит 5 свободно установлен на его второй коренной шейке 8, первое центральное колесо 9 дифференциального механизма снабжено отверстием для свободного перемещения шатуна 10, а второе центральное колесо 11 закреплено неподвижно на выходном валу 3 двигателя. Передаточное отношение центральных колес 9, 11 и сателлитов 4, 5 в данном случае равно двум, то есть 2:1, при этом за один оборот выходного вала 3 совершаются четыре хода поршня 2 и четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп.
В крышке 12 корпуса 13 двигателя установлена свеча 14, при этом крышка 12 и корпус 13 снабжены ребрами 15 воздушного охлаждения, смазка двигателя осуществляется разбрызгиванием. Система подачи топлива включает карбюратор (не показан), а система щелевого газораспределения включает газораспределительный канал 16 в поршне 2 и фигурные окна 17 в стенках цилиндра 1 для сообщения полости цилиндра 1, соответственно, с всасывающим 18 и выпускным 19 трубопроводами. Устье газораспределительного канала 16 на цилиндрической поверхности поршня охвачено уплотняющим кольцом 20. На головке поршня 2 установлены несколько поршневых колец 21, препятствующих прорыву газов из камеры сгорания в окна 17 и картер 22 двигателя, в котором находится масло для смазки деталей двигателя разбрызгиванием. Вне корпуса 13 на валу 3 двигателя установлен диск маховика (не показан), а на коренных шейках коленчатого вала 7 снаружи дифференциала установлены противовесы 23 для снижения инерционных нагрузок и вибраций цилиндропоршневой группы.
Двигатель функционирует следующим образом.
Рабочая топливовоздушная смесь из карбюратора через всасывающий трубопровод 18 и окно 17 поступает через газораспределительный канал 16 поршня 2 в рабочую полость цилиндра. В результате сжатия рабочей смеси, при наличии искры в свече 14, происходит ее сгорание. Давление сгоревших газов заставляет поршень 2 и шатун 10 вращать коленчатый вал 7. При этом момент вращения передается первому сателлиту 4, который закреплен на коренной шейке 6 коленчатого вала 7.
Второй сателлит 5, свободно установленный на его второй коренной шейке 8, не препятствует передаче момента. Поскольку первое центральное колесо 9 дифференциального механизма, снабженное отверстием для свободного перемещения шатуна 10, неподвижно закреплено на корпусе 13 двигателя, то момент от сателлита 4 передается второму центральному колесу 11 и выходному валу 3 двигателя. При указанном передаточном отношении центральных колес 9, 11 и сателлитов 4, 5 за один оборот выходного вала 3 в объеме цилиндра 1 совершаются четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп. При этом поршень 2 одновременно совершает возвратно-поступательное и вращательное движения около продольной оси.
За счет вращения и поступательного перемещения поршня 2 происходит периодическое совмещение газораспределительного канала 16 в теле поршня 2 с выпускным и всасывающим фигурными окнами 17 в цилиндре 1 двигателя. Положение указанных окон совпадает с тактами выхлопа и всасывания, благодаря чему отработанные газы удаляются из полости цилиндра 1 в атмосферу и вновь поступают в цилиндр 1 свежие порции топливовоздушной смеси. Дальнейшая работа двигателя происходит аналогичным образом.
Предлагаемая конструкция двигателя обеспечивает плавное преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное и безударную передачу момента от сателлитов на вал двигателя. Использование предложенного технического решения позволяет повысить максимальное давление в камере сгорания и к.п.д. роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания при одновременном повышении его ресурса.
В настоящее время, с участием специалистов МГАУ им. В.П.Горячкина, проводятся теоретические и экспериментальные исследования по созданию маломощного опытного образца роторно-поршневого двигателя предложенной схемы для использования полученных результатов при разработке двигателей сельскохозяйственного и транспортного назначения.