ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания объемного вытеснения.
Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания объемного вытеснения Ванкеля (С.Н.Богданов, М.М.Буренков, И.Е.Иванов. «Автомобильные двигатели», издательство «Машиностроение», Москва, 1987 год, стр.356-358), содержащий, по меньшей мере, одну роторно-поршневую секцию с трехгранным ротором. Секция состоит из статора, внутри которого в подшипниковых опорах с возможностью вращения относительно собственной коренной оси установлен цилиндрический стержень силового вала. На валу своей внутренней цилиндрической поверхностью соосно и жестко закреплено цилиндрическое кольцо эксцентрика. Ось внешней цилиндрической поверхности кольца эксцентрика параллельна и эксцентрична оси его внутренней цилиндрической поверхности. Длина линии эксцентриситета эксцентрика является вращающим рычагом силового вала секции. На внешней цилиндрической поверхности эксцентрика соосно и с возможностью вращения установлен ротор. Внутри ротора около одной из двух плоскостей его призмы соосно и жестко закреплена программная шестерня ротора с внутренними зубьями. Внутри нее и в зацеплении находится программная шестерня статора с внешними зубьями, жестко закрепленная на статоре соосно с коренной осью вала.
Если передачу усилия от вала на ротор эксцентрик производит во всем диапазоне его полного оборота, то передачу усилий от нагретого рабочего тела в такте рабочего хода на силовой вал секции эксцентрик передает только в узком секторе от 67,5 и до 202,5 градусов своего поворота после верхней мертвой точки. Как и в поршневой секции двигателя внутреннего сгорания, рычаг эксцентриситета эксцентрика вала, принимающий импульс усилия от рабочего тела, в процессе своего движения от верхней и до нижней мертвой точки способен не только передавать через себя усилия, но и блокировать собой передачу механической энергии от рабочего тела на вал. Это означает, что в интервале от 0 до 67,5 градусов поворота вала и закрепленного на нем эксцентрика пиковое значение механической энергии, которой обладает в начальной фазе своего нагрева заряд рабочего тела, не передается вращающим рычагом эксцентриситета эксцентрика на вал. Эксцентрик тормозит начальные пиковые механические усилия нагретого рабочего тела.
Поэтому из общего количества механической энергии нагретого рабочего тела, выработанной им, но не переданной на вал, одна ее часть, принятая тормозящим рычагом эксцентриситета в секторе верхней мертвой точки, в силовом подшипнике эксцентрика преобразуется в теплоту нагрева наружного и внутреннего колец этого подшипника. А ее другая часть относительно опорной оси рычага эксцентриситета создает торможение в коренных подшипниках вала, одна из долей которой идет на нагрев колец этих подшипников, а другая доля компенсируется в механизме двигателя за счет механической энергии маховика, накопленной им в предыдущем такте рабочего хода.
Поэтому, не имея в своем распоряжении силового звена, способного сразу после начала подвода теплоты передавать на вал энергию от нагретого газа, классический механизм обязан тормозить в себе максимальный пик механической энергии расширяющегося газа. Всю эту колоссальную энергию тормоз преобразует только в теплоту нагрева звеньев собственного механизма и на расход механической энергии, уже ранее переданной на вал от рабочего тела, но возвращаемой от маховика для продолжения программного перемещения подвижных элементов и на звенья трения механизма, а в конечном итоге, идущей на тот же самый нагрев его элементов. Количество энергии такого торможения для периода пика механических возможностей нагреваемого заряда может быть сопоставимо с количеством полезной энергии, передаваемой от маховика двигателя на вал потребителя, когда механическая активность объективно быстро остывающего газового заряда уже изрядно утрачивает свою интенсивность.
Такое исполнение механизма секции характеризует собой его низкую эффективность, связанную с большими затратами тепловой энергии, которая посредством сжигания топлива была подведена к заряду рабочего тела и преобразована им в механическую энергию своего собственного пространственного расширения. Но в момент максимального пика выработанного зарядом количества механической энергии она вновь преобразуется звеном эксцентрика вала в теплоту нагрева его собственных механических элементов. Данная неэффективность усугубляется тем, что механизму надо вырабатывать и затрачивать дополнительное количество механической энергии, чтобы эту теплоту отводить от своих элементов. При этом дополнительное количество энергии механизму требуется запасать в маховике вала для преодоления валом усилий пикового торможения вала в этот период со стороны собственного эксцентрика.
В секции известного роторного двигателя внутреннего сгорания эксцентрик отделен от силового и с возможностью вращения относительно коренной оси вала установлен в индивидуальной подшипниковой опоре статора. Как и в роторно-поршневой секции, эксцентрик по-прежнему в подшипнике ротора надежно удерживает траекторию перемещения оси ротора в профиле секции на линии окружности с центром на коренной оси вала и радиусом, равным длине эксцентриситета эксцентрика. Пара программных шестерен ротора и статора в этой секции точно такая же, как в роторно-поршневой секции.
В этом механизме эксцентрик и пара программных шестерен полностью исключены из силовой цепочки между рабочим телом и силовым валом, позволяя сократить промежуточные потери механической энергии в силовой передаче.
В механизме данной секции усилия от нагретого заряда рабочего тела также воспринимает ротор. Но от ротора усилия на вал через эксцентрик уже не передаются. Внутри ротора соосно и жестко закреплен диск цевочной муфты - механической передачи, позволяющей эти усилия передавать маховику вала через пальцы другого диска этой передачи - диска вала, соосно и жестко закрепленного на силовом валу секции. Цевочная передача обладает особенностью передачи усилий сразу без торможения и задержки от ротора на вал и обратно, в том числе, и при положении эксцентрика непосредственно в верхней мертвой точке, то есть при достижении камерой сгорания секции своего минимального объема. Поэтому не происходит торможения вала со стороны звена механизма, передающего усилия от ротора на вал. Такое исполнение силового звена не допускает торможения ротора и вала при максимальной механической активности рабочего тела в начальной фазе подвода к нему теплоты. Это устраняет одну из причин потерь механической энергии внутри механизма секции двигателя, повышая эффективность его работы.
При этом вращающий рычаг вала в цевочной передачи в несколько раз превышает длину эксцентриситета эксцентрика, что существенно повышает величину его вращающего момента и эффективность этой передачи, по сравнению с эксцентриковым валом.
Количество оборотов эксцентрика и тактов рабочего хода в секции данного двигателя в несколько раз превышает количество оборотов ее силового вала. Это исключает необходимость изначального форсирования оборотов вала в двигателе внутреннего сгорания и дальнейшего увеличения оборотов при выходе двигателя на номинальный режим работы, и поэтому в целом повышается надежность работы устройства.
Однако эксцентрик здесь находится между ротором и статором. То есть продолжает действовать его упреждающее торможение механических усилий нагретого рабочего тела, а также торможение ротора теперь уже относительно неподвижного статора, существенно занижая эффективность работы двигателя. В секторе верхней мертвой точки эксцентрик в этом механизме секции упреждающе блокирует собой включение в работу эффективного свойства силовой цевочной передачи, способной передавать усилия с ротора на вал при любых углах поворота вала.
При этом механическое звено эксцентрика содержит его собственную подвижную эксцентрическую по отношению к коренной оси массу, требующие высокого качества смазки и охлаждения высокооборотные подшипники эксцентрика и массу установленного на нем балансировочного противовеса, что усложняет конструкцию и ухудшает надежность работы механизма секции.
В секции данного двигателя между ротором и статором находится пара программных шестерен, являющаяся самостоятельным механическим звеном конструкции и определяющая форму траектории планетарного движения вершин ротора относительно оси эпициклоидного цилиндра статора. Эти шестерни выделены в отдельное звено конструкции, занимающее внутреннее пространство ротора, требующие сложной установки их в механизме, смазки и охлаждения. Изготовление этих шестерен требует специального оборудования. То есть они являются механическим звеном, усложняющим конструкцию и ухудшающими надежность работы секции двигателя.
Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы, а также упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания.
Указанная цель достигается тем, что в секции роторного механизма двигателя внутреннего сгорания полностью отсутствуют эксцентрик и пара программных шестерен. При использовании в этой секции известного силового механического звена, выполненного в виде силовой цевочной муфты, в качестве единого программного механического звена секции двигателя использована новая дополнительная цевочная передача. Вместо эксцентрика она обеспечивает собой поддержание стабильной траектории перемещения оси ротора по линии окружности с радиусом эксцентриситета, центр которой в профиле статора лежит на оси его цилиндра. Также вместо пары программных шестерен дополнительная программная цевочная передача в профиле статора определяет заданную изготовителем форму траектории перемещения профиля ротора.
Таким образом двигатель внутреннего сгорания, состоящий, по меньшей мере, из одной секции, содержащей объем внутренней полости статора, ограниченный поверхностями двух плоскостей и цилиндрической поверхностью, имеющей внутренний замкнутый и симметричный относительно оси статора профиль в форме эпициклоиды с выгнутыми и вогнутыми секторами, внутри объема статора соосно с осью статора и с возможностью вращения относительно нее установлен цилиндрический стержень вала, внутри полости статора установлен ротор, количество вершин профиля которого на одну единицу больше, чем количество вогнутых секторов профиля эпициклоиды статора, при этом ось ротора параллельна оси статора и в профиле статора лежит на линии окружности, центр которой расположен на оси статора, двигатель дополнительно снабжен цилиндрическими пальцами статора с втулками качения, количество которых совпадает с количеством вогнутых секторов эпициклоиды статора, дополнительные пальцы статора жестко закреплены параллельно оси статора на внутренней поверхности одной из плоскостей статора, и ось каждого пальца статора по одной расположена на пересечении линии оси симметрии одного вогнутого сектора профиля эпициклоиды статора с линией окружности, при этом крайняя внутренняя кромка диска ротора выполнена с замкнутым профилем в форме гипоциклоиды с симметрично выгнутыми секторами вершин относительно оси ротора, количество которых равно количеству вершин ротора, причем каждая линия оси симметрии профиля каждой вершины гипоциклоиды по одной совпадает с линией оси симметрии профиля вершины ротора, при этом профиль в форме гипоциклоиды диска ротора выполнен с возможностью прокатывания одновременно по всем профилям втулок пальцев статора, отличается тем, что на валу соосно и жестко закреплен диск вала с жестко укрепленными на нем параллельно оси статора цилиндрическими пальцами вала, на каждом из которых соосно и с возможностью вращения относительно оси пальца установлено цилиндрическое кольцо втулки качения, наружная поверхность каждой из которых в профиле статора по одной имеет непрерывный точечный контакт с внутренней цилиндрической поверхностью одного большего по диаметру сквозного кругового отверстия диска ротора, соосно и жестко закрепленного внутри ротора, центры круговых отверстий диска ротора лежат на линии окружности с величиной диаметра, равной величине диаметра окружности, на линии которой лежат оси пальцев вала, дополнительные пальцы статора жестко закреплены параллельно оси статора на внутренней поверхности одной из плоскостей статора в направлении навстречу пальцам вала.
Сущность изобретения поясняется чертежами схемы двигателя внутреннего сгорания на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 изображен вид на секцию двигателя слева, на фиг.2 - вид на секцию двигателя спереди, на фиг.3 - вид на двухсекционный двигатель спереди.
Условные обозначения на чертежах:
е - эксцентриситет или в профиле статора постоянное по своей величине расстояние между неподвижной коренной остью цилиндра полости статора и осью призмы ротора, перемещающейся относительно коренной оси по линии окружности с радиусом е;
m - целое число, указывающее количество симметрично вогнутых в сторону коренной оси секторов эпициклоиды профиля внутреннего цилиндра статора;
n - целое число, указывающее количество вершин профиля призмы ротора, которое равно модулю гипоциклоиды диска ротора, и оно на одну единицу больше числа m, то есть n=m+1;
me - число, указывающее длину радиуса центральной окружности плоскости внутренней полости статора, на линии которой, симметрично относительно коренной оси, расположены оси опорных пальцев статора, которые жестко закреплены в этой плоскости. То есть в длине этого радиуса эксцентриситет длиной е укладывается m раз;
ne - число, указывающее длину радиуса центральной окружности профиля призмы ротора, на линии которой, симметрично относительной оси ротора, расположены оси вершин профиля гипоциклоиды диска ротора. То есть в длине этого радиуса эксцентриситет длиной е укладывается n раз.
Двигатель внутреннего сгорания состоит, по меньшей мере, из одной секции, содержащей объем внутренней полости статора, ограниченный поверхностями двух плоскостей 1 и цилиндрической поверхностью 2, имеющей внутренний замкнутый и симметричный относительно оси цилиндра статора профиль в форме эпициклоиды с выгнутыми и вогнутыми в сторону оси цилиндра статора секторами. Ось цилиндра статора также называется коренной осью. Количество как вогнутых, так и выгнутых секторов эпициклоиды поверхности 2 равно целому числу m.
Внутри объема статора соосно с его коренной осью и с возможностью вращения относительно нее в подшипниковых опорах статора установлен цилиндрический стержень силового вала 3, на котором соосно и жестко закреплен диск 4 вала, с жестко укрепленными на нем параллельно коренной оси цилиндрическими пальцами 5, которые также называются цевками. На каждом из пальцев 5 соосно и с возможностью вращения относительно оси пальца установлено цилиндрическое кольцо втулки качения 6.
Также внутри цилиндрической полости статора с возможностью планетарного перемещения относительно его коренной оси установлен ротор 7, представляющий собой призму, в профиле статора имеющую наружный симметричный относительно собственной оси ротора криволинейный профиль, с количеством как граней, так и вершин, равным числу n, которое на одну единицу больше, чем количество m вогнутых и выгнутых секторов эпициклоиды статора. Ось ротора 7 параллельна коренной оси статора, в профиле механизма находится от нее на неизменяемом расстоянии эксцентриситета е и имеет возможность перемещения относительно коренной оси по линии окружности с радиусом е. Внутри объема призмы ротора 7 соосно и жестко закреплен диск 8 ротора. В этом диске параллельно коренной оси выполнены сквозные круговые отверстия 9. Количество отверстий 9 равно количеству пальцев 5 вала и равно целому числу n.
Диаметр каждого из отверстий 9 диска 8 ротора больше наружного диаметра каждой цилиндрической поверхности втулок качения 6, которая в профиле находится в непрерывном точечном контакте с внутренней цилиндрической поверхностью одного отверстия 9. При этом диаметр центральной окружности диска 8 ротора, на линии которой лежат центры окружностей отверстий 9, по величине равен диаметру центральной окружности диска 4 вала, на линии которой лежат оси пальцев 5 вала.
Вместо известного опорного эксцентрика и известной пары программных шестерен статора и ротора в механизме двигателя внутреннего сгорания выполнено новое единое опорно-программное звено.
Для этого внутри объема полости статора, на одной из его плоскостей 1, параллельно и симметрично коренной оси жестко закреплены цилиндрические пальцы 10 статора с втулками качения 11. Количество пальцев 10 равно числу m вогнутых секторов эпициклоиды статора. Ось каждого пальца 10 статора по одной расположена на пересечении линии оси симметрии одного вогнутого сектора профиля эпициклоиды поверхности 2 статора с линией центральной окружности плоскости статора с радиусом, равным величине mе.
Пальцы 10 статора направлены навстречу пальцам 5 вала. Пальцы статора находятся на центральной окружности коренной оси ближе к валу внутри плоскости диска ротора, а цевки вала в этой же плоскости располагаются в отверстиях диска ротора по эксцентричной к коренной оси окружности дальше от этой оси вала.
Крайняя внутренняя цилиндрическая кромка диска 8 ротора выполнена с внешним замкнутым профилем в форме гипоциклоиды 12, которая имеет взаимно равное количество симметричных относительно оси ротора выгнутых секторов вершин и вогнутых секторов граней своего профиля, симметрично повторяющих профиль выгнутых вершин и вогнутых граней ротора. То есть общее количество вершин и граней гипоциклоиды равно количеству вершин или граней ротора - целому числу n.
Выгнутые секторы вершин гипоциклоиды имеют закругленный профиль под радиус окружности втулки качения 11 пальца 10 статора. Причем каждая линия оси симметрии каждого из выгнутых секторов вершин профиля этой гипоциклоиды 12 по одной совпадает с одной линией оси симметрии профиля вершины ротора. При этом радиус линии центральной окружности диска 8 ротора, на которой лежат центры профилей выгнутых закругленных вершин гипоциклоиды 12, имеет длину, равную величине nе. Ось симметрии каждого вогнутого сектора профиля грани гипоциклоиды диска ротора совпадает с осью симметрии профиля грани ротора.
При движении ротора 7 цилиндрическая поверхность гипоциклоиды 12 диска 8 ротора обкатывает находящиеся внутри нее втулки 11 пальцев 10 статора. Наружные цилиндрические поверхности втулок качения 11 всех пальцев 10 статора в профиле имеют непрерывный механический контакт с цилиндрической поверхностью гипоциклоиды 12 диска 8 ротора. То есть, как и в любом подшипнике качения, профиль его внешнего кольца, в данном случае профиль гипоциклоиды 12 подшипника, имеет постоянный контакт со всеми втулками качения 11, находящимися внутри профиля этого диска.
Сразу после прохождения эксцентриситетом е верхней мертвой точки (фиг.1 и 2, при движении ротора по часовой стрелке) воспринимаемые гранью ротора 7 усилия от локального заряда рабочего тела, нагреваемого в такте рабочего хода, сообщают ротору импульс пространственного перемещения в объеме статора. Повинуясь программе прокатывания внутреннего профиля гипоциклоиды 12 диска 8 ротора одновременно по всем выстроенным в описанном порядке круговым профилям втулок пальцев 10 статора, ротор 7 совершает планетарное движение относительно коренной оси статора и силового вала 3. При этом кромки наружного профиля вершин ротора 7 описывают профиль эпициклоиды поверхности 2 статора. Профиль граней ротора 7 постоянно находится в пределах профиля эпициклоиды поверхности 2.
Одновременно с этим в силовом звене механизма внутренние цилиндрические кромки половины из общего числа круговых отверстий 9 диска 8 ротора толкают втулки 6 пальцев 5 диска 4 вала (на фиг.1 - левые отверстия 9 и втулки 6). Причем для ротора 7 с семигранной формой профиля ротора полный оборот без проскальзывания внешней поверхности одной втулки 6 по внутренней кромке отверстия 9 происходит за одну шестую часть от полного синхронного оборота ротора 7 и силового вала 3. На протяжении этой одной шестой части оборота вала в передаче усилий с диска 8 ротора на диск 4 вала по направлению движения ротора последовательно участвуют сразу все пальцы 5. Таким именно образом усилие расширяющегося рабочего тела, выраженное в пространственном перемещении ротора 7, без торможения и задержки сразу передается на вращение силового вала 3.
При этом за один полный оборот семигранного ротора и вала в рабочей полости происходят семь полных циклов семи зарядов рабочего тела. Длина вращающего рычага диска 4 вала примерно в девять раз превышает длину эксцентриситета е.
Как в силовом звене вала 3, так же и в новом опорно-программном звене конструкции механизма, при начале воздействия нагретого рабочего тела на грань ротора, кроме трения втулки 11 о палец 10 и трения качения профиля гипоциклоиды 12 диска ротора по втулке 11, больше не воспроизводится никакого другого торможения, задержки в передаче усилий на опоры статора или его концентрации только на каком-то одном конкретном элементе конструкции и в конкретном направлении. Усилия с диска 8 ротора через непрерывный контакт с профилем его гипоциклоиды 12 в любой момент времени воспринимаются сразу всеми опорными пальцами 10 статора, которые изначально препятствуют любому нежелательному смещению ротора относительно коренной оси статора от запрограммированной траектории его планетарного перемещения.
Полное исключение эксцентрика из конструкции механизма секции двигателя внутреннего сгорания и замена его предложенным новым опорно-программным звеном статора позволили силовому валу секции полностью исключить упреждающее торможение ротора и вала эксцентриком в секторе верхней мертвой точки. И особенно важно, что в новом механизме это усилие теперь воспринимается, прежде всего, в фазе начала подвода теплоты к заряду, когда рабочее тело обладает наивысшей механической энергией. Это позволило включить в работу эффективное свойство силовой цевочной передачи по транслированию усилия от ротора на вал при любом угле поворота вала, особенно в фазе начала подвода теплоты к заряду рабочего тела при нахождении эксцентриситета в секторе верхней мертвой точки. Таким образом, вал стал обладать способностью восприятия всего эффективного диапазона импульса количества механической энергии нагретого рабочего тела текущего цикла. Это существенно повысило эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.
Отсутствие торможения ротора и вала при углах поворота эксцентриситета, близких к верхней мертвой точке, избавило механизм двигателя не только от больших потерь энергии при этом торможении, идущей исключительно на нагрев элементов собственной конструкции механизма двигателя, но и от выработки механизмом дополнительного количества механической энергии для отвода этого избытка теплоты от элементов своего механизма. Также механизм теперь избавлен от запасания в маховике излишней энергии предыдущего цикла рабочего тела для преодоления усилий торможения вала со стороны эксцентрика в текущем цикле. Все это также повысило эффективность работы двигателя.
Опорный монокривошип - эксцентрик и программная шестеренчатая передача в механизме новой секции двигателя заменены поликривошипом - набором закрепленных на статоре пальцев, на втулки качения которых, как на ролики подшипника качения, опирается профиль гипоциклоиды 12 диска ротора, который в профиле является наружным криволинейным кольцом этого подшипника качения. Механизм двигателя полностью избавился от громоздкого, сложного и дорогого в изготовлении эксцентрика, а также его быстроходных подшипников, требующих высокого качества смазки и охлаждения. Это упростило конструкцию секции, повысило надежность ее работы и уменьшило общую площадь силовых поверхностей трения, повышая эффективность работы двигателя.
С применением новой схемы секции двигателя упростилась конструкция двигателя и для двухсекционного исполнения, в котором теперь достигается надежная сбалансированность механизма без применения эксцентриков и балансировочных противовесов. В двухсекционном исполнении данной схемы опирающиеся с противоположных сторон на цевки одной плоскости статора одинаковые по массе роторы каждой секции установлены взаимно оппозитно относительно коренной оси общего для них силового вала (фиг.3). Таким образом, при работе двигателя роторы взаимно уравновешивают несбалансированные массы друг друга. Исключение из механизма балансировочных противовесов, которые должны были устанавливаться на эксцентриках секций, упростило конструкцию и повысило надежность двигателя.