РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ШАТРОВА П.Л.

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания и может быть использована в качестве двигателя на автомобилях, мотоциклах, судах, железнодорожном транспорте, тракторах, в авиационной и бытовой технике.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля). Особенность известного двигателя - применение вращающегося ротора (поршня), размещенного внутри цилиндра, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.
(См. сайт: vankel.narod.ru)
Ротор, установленный на валу, жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. При этом ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объемы камер в цилиндре.
Однако, такой двигатель имеет существенные недостатки, которые не позволили ему найти широкое применение.
В их числе низкий КПД, маленький ресурс, повышенный расход масла, склонность к перегреву, необходимость применения очень сложного оборудования при изготовлении, после выработки ресурса он не подлежит ремонту. Причиной этих недостатков является то, что камера сгорания имеет форму узкой линзы, которая не позволяет рабочей смеси полностью сгорать, а большая площадь камеры сгорания приводит к повышенному рассеиванию тепла и, как следствие приводит к перегреву двигателя, снижению КПД. Прямоугольная форма ротора-поршня не обеспечивает герметизацию камеры сгорания при длительном ресурсе работы двигателя. Невозможность изъятия излишков масла из камеры сгорания приводит к перерасходу масла.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, выбранным в качестве ближайшего аналога является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с расположенным в нем ротором, рабочие цилиндры ротора, которые объединены в блок радиально сходящихся к друг другу камер сгорания цилиндров, в каждом из рабочих цилиндров размещен поршень, снабженный шатуном и опорным роликом, взаимодействующим с установленной на корпусе криволинейной опорной поверхностью, число рабочих цилиндров четно, (либо как вариант нечетно).
(См. патент Евразийского патентного ведомства ЕА 200702119 А1 от 28.02.2008 г., регистрационный номер приоритетной заявки AZA 20060135 от 07.07.2006 г. «Двигатель внутреннего сгорания».)
Недостатком известного технического решения является сложность его конструкции, обусловленная наличием деталей специфической формы для изготовления которых требуется сложное дорогостоящее оборудование. К таким деталям относится, в частности так называемый обод, имеющий беговые дорожки. Извлечение полезной силы, создающей крутящий момент на роторе из реактивной силы, действующей на опорный ролик со стороны обода, значительно снижает КПД. Опорные ролики создают на ободе двухсторонние, радиально направленные нагрузки и, следовательно, при практическом применении обод должен иметь большие габаритные размеры, которые увеличивают габариты двигателя в целом. Кроме того, ресурс работы опорных роликов и обода в известном техническом решении сильно ограничен, так как за один оборот ротора ролики дважды меняют направление вращения, что приводит к их быстрому износу. К другим недостаткам известного двигателя следует отнести низкий КПД и ограниченный ресурс работы, сложность при ремонте.
Задачей настоящей полезной модели является упрощение конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания при одновременном увеличении его КПД и ресурса работы, упрощение в обслуживании и ремонте двигателя.
Техническим результатом, позволяющим решить эту задачу является оптимизация конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающая создание крутящего момента на роторе непосредственно давлением рабочих газов, образующихся внутри камеры сгорания рабочих цилиндров, без промежуточных преобразований, за счет предложенного заявителем расположения рабочих цилиндров ротора.
Поставленная задача достигается тем, что в известном роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с расположенным в нем ротором, рабочие цилиндры ротора, в каждом из которых размещен поршень, снабженный шатуном и опорным роликом, взаимодействующим с установленной на корпусе криволинейной опорной поверхностью, число рабочих цилиндров четно, согласно полезной модели, рабочие цилиндры ротора смещены в плоскости вращения ротора от центра вращения ротора на равное расстояние, при чем для каждого рабочего цилиндра, противолежащий ему относительно центра вращения ротора рабочий цилиндр расположен центрально симметрично, их оси параллельны, для каждой пары противолежащих рабочих цилиндров установлены два рычага и одна тяга, рычаги закреплены на роторе неподвижными шарнирами, каждый рычаг одним неподвижным шарниром соединен с шатуном соответствующего ему рабочего цилиндра, а другим подвижным шарниром посредством тяги соединен с рычагом противолежащего рабочего цилиндра.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания не известен, а, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Предлагаемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания может быть изготовлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли так как для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью.
Таким образом, заявляемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявленному роторно-поршневому двигателю внутреннего сгорания новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу, а именно: упрощение конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания при одновременном увеличении его КПД и ресурса работы, упрощение обслуживания и ремонта двигателя.
Смещение рабочих цилиндров ротора в плоскости вращения ротора, от центра вращения ротора на равное расстояние, при расположении для каждого рабочего цилиндра, противолежащего ему относительно центра вращения ротора рабочего цилиндра центрально симметрично так, что их оси параллельны, обеспечивает получение крутящего момента на роторе непосредственно давлением рабочих газов, образующихся внутри камеры сгорания рабочих цилиндров от сгорания поданной в камеру сгорания горючей смеси, так как благодаря такому расположению рабочих цилиндров сила, действующая на заднюю стенку цилиндра приобретает плечо и создает крутящий момент, это значительно повышает КПД заявляемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания при одновременном упрощении его конструкции.
Кроме того, такое расположение рабочих цилиндров позволяет по мере движения ротора и прохождения опорным роликом одного рабочего цилиндра по криволинейной опорной поверхности обеспечить вступление в контакт с криволинейной опорной поверхностью опорного ролика другого рабочего цилиндра, тем самым поддерживает бесперебойный рабочий цикл двигателя, и обеспечивает равномерный отбор мощности на роторе двигателя, что также повышает КПД двигателя.
Криволинейная опорная поверхность контактирует с опорными роликами при повороте ротора на угол до 180-270 градусов и тем самым обеспечивается контакт хотя бы одного из опорных роликов каждой пары противолежащих цилиндров, причем форма опорной поверхности обеспечивает движение поршней в рабочих цилиндрах на величину рабочего хода. Криволинейная опорная поверхность может быть установлена на корпусе с возможностью перемещения от центра вращения ротора, что позволит регулировать степень сжатия в камерах сгорания рабочих цилиндров.
Установка для каждой пары противолежащих рабочих цилиндров двух рычагов и одной тяги так, что рычаги закреплены на роторе неподвижными шарнирами, а каждый рычаг одним подвижным шарниром соединен с шатуном соответствующего ему рабочего цилиндра, а другим подвижным шарниром посредством тяги соединен с рычагом противолежащего рабочего цилиндра, обеспечивает синхронизацию движения поршней, сохраняет баланс ротора, формирует такты выпуска и впуска, позволяет сформировать полный цикл четырехтактного двигателя, при одновременной простоте конструкции, которая удобна в обслуживании и при ремонте.
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания позволяет упростить конструкцию двигателя при одновременном увеличении его коэффициента полезного действия (КПД) и ресурса работы, упростить обслуживание и ремонт двигателя.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схематичными чертежами, на которых изображены:
На Фиг.1 - изображено расположение цилиндров, принцип формирования и направление действия движущей силы F;
На Фиг.2 - показаны составляющие реактивной силы F3;
На Фиг.3 - показана динамика движения рабочих цилиндров;
На Фиг.4 - изображена форма криволинейной опорной поверхности;
На Фиг.5 - изображен схематичный вид 2-х цилиндрового двигателя.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус 1 с расположенным в нем ротором 2, рабочие цилиндры 3, в каждом из которых размещен поршень 4, снабженный шатуном 5 и опорным роликом 6, взаимодействующим с установленной на корпусе 1 криволинейной опорной поверхностью 7, рабочие цилиндры 3 ротора 2 смещенные в плоскости вращения ротора 2 от центра вращения ротора 2 на равное расстояние, при чем для каждого рабочего цилиндра, противолежащий ему относительно центра вращения ротора 2 рабочий цилиндр 3 расположен центрально симметрично, их оси параллельны, для каждой пары противолежащих рабочих цилиндров 3 установлены два рычага 8 и одна тяга 9, рычаги 8 закреплены на роторе 2 неподвижными шарнирами 10, каждый рычаг 8 одним подвижным шарниром 11 соединен с шатуном 5 соответствующего ему рабочего цилиндра 3, а другим подвижным шарниром 11 посредством тяги 9 соединен с рычагом 8 противолежащего рабочего цилиндра 3.
Смещение рабочих цилиндров 3 от центра вращения ротора 2 должно быть не менее 0,5 диаметра рабочего цилиндра, что необходимо для поддержания КПД на высоком уровне. При увеличении смещения рабочих цилиндров 3 от оси вращения ротора 2 двигатель характеризуется повышением крутящего момента.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом при варианте использования двух рабочих цилиндров:
Общеизвестными системами подачи горючей смеси, зажигания и газораспределения (на чертеже не указаны) обеспечивают пуск и работу двигателя. Подача горючей смеси в камеру сгорания цилиндров, и отведение отработавших газов, происходит через боковые окна в цилиндрах, когда они находятся в соответствующих фазах движения ротора, напротив каналов впуска и выпуска, При этом поршни 4 совершают принудительные возвратно-поступательные движения, которые соответствуют общеизвестному 4-х тактному циклу работы двигателя. При сгорании горючей смеси в камере сгорания, давление, действующее на заднюю стенку цилиндра, формирует силу F, которая действует относительно опорной поверхности 7 через поршень 4, шатун 5, опорный ролик 6, создавая крутящий момент на роторе 2, и приводит его в движение как показано на фиг.1. Таким образом совершается рабочий ход, равный ¼ оборота, следующие по ¼ оборота - такты выпуск и впуск происходят при принудительном движении поршня, и обеспечиваются рычажным механизмом. Такт сжатие в цилиндре происходит тогда, когда опорный ролик данного цилиндра уже находится в контакте с опорной поверхностью. Другой рабочий цилиндр 3 совершает такой же цикл, но с разницей 180 градусов. Синхронизация движения поршней происходит при помощи механизма рычагов 8 и тяги 9. Необходимо отметить, что такты рабочий ход и впуск могут быть больше или меньше чем 90 градусов, в зависимости от исполнения двигателя.
Ось опорного ролика 6 является шарниром 11 для рычага 8. При движении поршня 4, рычаг 8 поворачивается на неподвижном шарнире 10 и другим плечом через подвижный шарнир 11 и тягу 9 приводит в движение рычаг 8 поршня 4 противолежащего рабочего цилиндра 3.
Ротор 2 может иметь четыре и более рабочих цилиндров 3, ротора, где каждый рабочий цилиндр работает в паре с противолежащим ему рабочим цилиндром, аналогично двухцилиндровому варианту, тогда за один оборот ротора происходит количество рабочих ходов равное количеству цилиндров, при этом крутящий момент увеличивается и ротор избавляется от импульсного движения.
Для увеличения мощности на одном валу можно разместить два и более роторов.
Криволинейная опорная поверхность 7 должна контактировать с опорным роликом не менее половины оборота двигателя, что бы хоть один из опорных роликов 6 каждой пары противолежащих цилиндров касался опорной поверхности. Опорный ролик 6 сам прижимается к опорной поверхности 7 так как она находится там, где рабочий цилиндр 3 проходит фазу тактов сжатие-рабочий ход, в этот момент в рабочем цилиндре присутствует повышенное давление.
Заявитель экспериментально установил форму опорной поверхности, проследив динамику движения поршней 4 в рабочих цилиндрах 3 смотри фиг.3 и фиг.4. При этом он руководствовался тем, чтобы сформировать на опорном ролике, реактивную силу F1, возникающую со стороны опорной поверхности 7, параллельную оси рабочего цилиндра 3, тем самым, исключить или значительно уменьшить перпендикулярную составляющую F2, противодействующую вращению ротора как показано на фиг.2.
Используя заявляемую конструкцию роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания можно изготавливать двигатели работающие на бензине, газе или дизельном топливе. При этом следует отметить пониженную требовательность к октановому числу при работе на бензине. Для изменения степени сжатия в цилиндрах, достаточно приблизить или отдалить, относительно центра вращения ротора, опорную поверхность 7.