РЕВОЛЬВЕРНЫЙ РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
REVOLVING ROTARY-PISTON ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области машиностроения роторно-поршневых и роторно-лопастных объемных машин, в частности двигателей, компрессоров, насосов, и может быть использовано, в частности, в автомобилестроении и авиации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее известное решение для роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания - двигатель Ванкеля (Wankel - патент US №8312859)
Достоинствами этой конструкции являются отсутствие необходимости в преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, существенное снижение массы движущихся частей за счет исключения из конструкции коленчатого вала и шатунов, низкий уровень вибраций, широкий диапазон рабочих чисел оборотов двигателя, и конструктивная простота, а как следствие - высокие динамические характеристики, удельная мощность и меньшие габаритные размеры.
Недостатками названной конструкции являются сложная форма конструкции корпуса, ротора и его привода, а также низкий ресурс механических уплотнений.
Альтернативной схемой являются конструкции роторно-лопастных двигателей. Обычно они содержат полый корпус, в котором на соосных валах расположены два двухлопастных ротора, делящих полость корпуса на камеры переменного объема и механизм связи лопастей.
Такая конструкция описана в патенте SU 5062992/29 (Шалаев B.C. и др.), в котором механизм связи лопастей содержит рычаги, жестко связанные с валами, и планетарную зубчатую передачу.
Аналогичный тип механизма описан в патенте RU 2084641 (Тенишев И.С. и др.), в котором механизм синхронизации движения лопастей использует солнечное колесо, водило, сателлиты с кривошипами и тяги механизма и размещается в полости втулок, лопастей роторно-лопастного двигателя.
Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (RU 2488704, Потапов И.М. и др.), в котором синхронизирующие механизмы, обеспечивающие кинематическую связь между валами, выполнены в виде двух редукторов и установлены по одному на каждый вал и состоят из цилиндрических шестерен и храповых механизмов.
В патенте RU 2292463 (Гридин В.В) механизм согласования движения лопастей выполнен в виде зубчатой передачи, кинематически связанной с системой кривошип-ползун. В патенте RU 2467175 того же автора механизм связи лопастей представляет из себя два установленными с двух торцов корпуса планетарных механизма. В конструкции, предложенной в патенте RU 2292470 (Мултановский В.В.), механизм синхронизации движения лопастей содержит зубчатые колеса переменного радиуса, которые имеют специальную форму делительной поверхности, обеспечивающую гармонический, например синусоидальный, закон изменения угловой скорости роторов при равномерном вращении вала отбора мощности.
Характерными недостатками названного типа роторных двигателей являются сложность как механизма согласования движения лопастей относительно друг друга, так и механизма отбора мощности, необходимого для снятия мощности с двух разных валов, движущихся неравномерно.
Большие знакопеременные ударные нагрузки в механизме согласования движения лопастей, как и использование храповых механизмов и обгонных муфт в механизме отбора мощности снижают его ресурс, что приводит к ненадежности конструкции в целом.
Известно решение, описанное в патенте RU 2292462 (Мокрушин В.А. и др.), где однонаправленное вращательное движение лопастей по сложному закону заменено на вращательно-колебательное движение ротора, которое преобразуется во вращательное движение вала с помощью кривошипно-ползункового механизма. Аналогичный подход описан в патенте RU 2393361 (Блатов Р.А.), в котором ведущий блок поршней совершает вращательно-колебательное движение.
Известен целый ряд конструкций роторно-лопастных двигателей, авторы которых постарались избежать необходимости использования ненадежного и энергозатратного механизма согласования движения лопастей.
В конструкции, предложенной в патенте RU 2260129 (Доронин В.Т.), предлагается заменить сложный закон движения лопастей на простое вращательное движение, используя две рабочие полости, дополнительные перепускные коллекторы с клапанами и заслонки, совершающие возвратно-поступательное движение. Усложнение конструкции за счет введения названных дополнительных элементов, затраты энергии на движение заслонок с приводным механизмом и потери в коллекторах существенно снижают эффективность двигателя и уничтожают ожидаемые преимущества от отсутствия механизма согласования движения лопастей.
В патенте RU 2465473 (Михайлов И.И.) описан роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, который содержит тороидальный корпус, два блока с оппозитно расположенными поршнями, которые оснащены подпружиненными стопорами-защелками, датчиками положения блоков поршней и зубчатым дифференциалом с маховиком, снимающими нагрузку с двух соосных силовых валов.
В конструкциях, предложенных в патентах RU 2371592, RU 2371593 и RU 2380556 (Доронин В.Т.), роторные лопастно-поршневые крыльчатки разделяют рабочую полость цилиндра на рабочие камеры. Двигатель дополнительно снабжен датчиками и фиксаторами положения роторных лопастно-поршневых крыльчаток для периодического соединения с осью выходного вала и корпусом и специальной электронной системой для управления клапанами двигателя.
В патенте RU 2366819 описан двухвальный роторно-лопастной двигатель (Орлов И.М. и др.). Он не использует механизма согласования движения лопастей. В каждый момент времени движется только одна пара лопастей, а другая в это время зафиксирована.
Лопасти роторов соприкасаются по завершении каждого такта рабочего хода. Недостатком этого решения является ненадежность конструкции, снижение эффективности и ресурса двигателя за счет применения в конструкции стопора-собачки для фиксации лопасти и обгонных муфт для снятия нагрузки с двух выходных валов, что вызывает появление ударных нагрузок. Контакт лопастей между собой в конце каждого такта определяет еще один неизбежный источник ударных нагрузок.
Вместе с тем, в этом техническом решении присутствуют следующие особенности:
1. Отсутствие в конструкции механизма согласования движения лопастей.
2. Рабочая зона, образующаяся между вращающейся лопастью и неподвижным элементом (роль которого в патенте RU 2366819 выполняет закрепленная лопасть).
3. Однонаправленное вращательное движение лопастей.
4. Отсутствие в конструкции клапанного механизма.
5. Отсутствие в конструкции датчиков положения поршней.
Поэтому примем это техническое решение за прототип, так как оно обладает максимальной совокупностью общих с предлагаемым изобретением существенных признаков.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью данного изобретения является разработка простого по конструкции, надежного роторного двигателя с большим сроком службы, низким показателем удельной массы, использующего прямую передачу энергии сгорания топлива во вращение, без использования механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, или энергоемких механизмов согласования движения лопастей, обгонных муфт, храповых механизмов или иных устройств, снижающих ресурс и эффективность двигателя.
Техническим результатом является увеличение КПД, уменьшение вибрации, упрощение конструкции, повышение технологичности, надежности и долговечности двигателя.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
СОВОКУПНОСТЬ СУЩЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ.
Решение указанной выше задачи, достижение поставленной цели и требуемого технического результата обеспечивается следующей конструктивной схемой. Предлагается роторно-поршневой двигатель с рабочим цилиндром, имеющим кольцевую тороидальную рабочую область с впускными и выпускными окнами, а также боковую стенку, которая имеет возможность беспрепятственного проворачивания относительно корпуса вместе с выходным валом.
Внутри рабочей области корпуса размещены с возможностью скольжения по кольцевому каналу тороидального цилиндра как минимум два поршня, кинематически связанных с подвижной боковой стенкой цилиндра.
Также внутри кольцевого цилиндра размещены шлюзовые камеры, изолирующие рабочие зоны, участвующие вместе с поршнями в образовании рабочих камер и обеспечивающие перенос поршней из одной зоны в другую.
Рабочие зоны образуются участками цилиндра, ограниченными с одной стороны двигающимися поршнями, а с другой стороны - шлюзовыми камерами.
В предлагаемом двигателе нет сложных, неизвестных ранее, конструктивных элементов. Он использует хорошо изученные термодинамические циклы и не требует применения специальных материалов с особенными свойствами. Отсутствие дополнительных механизмов, обеспечивающих работу основных элементов двигателя, позволяет получить простой в исполнении и надежный в работе двигатель.
Результатами применения предлагаемой конструктивной схемы являются увеличение КПД, уменьшение вибрации, упрощение конструкции, повышение технологичности, надежности и долговечности двигателя
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ.
Предложенная конструкция роторного двигателя позволяет получить лучшие показатели по сравнению с существующими аналогами, а именно:
- Увеличение КПД за счет отказа от энергоемких механизмов согласования движения лопастей, обгонных муфт, храповых механизмов или аналогичных устройств, снижающих эффективность двигателя.
- Увеличение надежности, увеличение срока службы двигателя за счет исключения ударных нагрузок неизбежных для устройств закрепления лопастей (фиксаторов) и устройств типа храповых механизмов.
- Упрощение конструкции и снижение удельной массы двигателя за счет исключения самого сложного элемента - механизма согласования движения лопастей со сложной кинематической схемой преобразования неравномерного движения лопастей, отсутствия механизма отбора мощности благодаря использованию единого вала передачи вращающего момента.
- Уменьшение вибрации за счет исключения необходимости преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
- Меньшие размеры, вес, более простой привод, меньшую цену.
- Снижение требований к двигателю позволяют более эффективно выбирать размеры элементов двигателя и характеристики рабочих процессов.
- Снижение требований к двигателю позволяют гибко использовать различные материалы для его конструкции и снизить требования на сопутствующие материалы, например - требования к смазочным материалам.
Эта конструкция может использоваться как для двигателей, так и для объемных машин (например, насосов).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется одиннадцатью схемами. На схемах приняты следующие обозначения:
1 - Шлюз, разделяющий зоны выпуска и всасывания.
2 - Поршень (лопасть).
3 - Шлюз, разделяющий зоны сжатия и горения.
4 - Поршень (лопасть).
5, 6 - Корпус двигателя.
7 - Кольцевой элемент - ротор двигателя.
8 - Привод выходного вала.
9 - Привод механизма поворота шлюза,
i - Впускной канал.
о - Выпускной канал.
На фиг. 1 изображены основные элементы, входящие в конструкцию двигателя (1-9).
На фиг. 2 показаны основные элементы конструкции (1-7) в корпусе двигателя.
На фиг. 3 изображена функциональная схема работы двигателя на примере четырехтактного цикла (механизм показан упрощенно).
На фиг. 4 показана функциональная схема работы шлюзов (механизм показан упрощенно) на примере 10 последовательных положений поршня и шлюзовой камеры. 10 положений механизма обозначены буквами от А до J.
На фиг. 5 изображены сечения шлюзовой камеры для положений А и С. Сечение для положения А обозначено М-М и показывает пустую шлюзовую камеру. Сечение для положения С обозначено N-N и показывает шлюзовую камеру с поршнем в ней.
На фиг. 6 изображен шлюз двигателя.
На фиг. 7 изображен привод шлюза, обеспечивающий его поворот.
На фиг. 8 изображена схема движения поршня в шлюзовой камере. Показаны 4 последовательные положения поршня и шлюзовой камеры. Эти положения обозначены буквами S, Т, U и V.
На фиг. 9 для названных четырех положений S, Т, U и V показаны положения поршня в шлюзовой камере, иллюстрирующие относительное движение поршня - движение поршня относительно шлюза.
На фиг. 10 для названных четырех положений S, Т, U и V показана иллюстрация переносного движения поршня - движение поршня, обеспечиваемое движением шлюза.
На фиг. 11 для названных четырех положений S, Т, U и V показано движение ротора, определяющее итоговое вращение выходного вала.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Предлагается роторный двигатель, содержащий четыре основных элемента:
- кольцевой замкнутый торообразный цилиндр,
- шлюзы, разделяющие внутреннюю полость цилиндра на отдельные зоны,
- поршни,
- подвижный кольцевой элемент боковой стенки цилиндра, исполняющий роль ротора и служащий для передачи усилия от поршней выходному валу.
Шлюзы разделяют различные рабочие зоны цилиндра, но способны, поворачиваясь, беспрепятственно пропускать поршни из одной зоны в другую.
Каждая рабочая зона ограничивается с одной стороны шлюзом, с другой стороны -поршнем.
В терминах, характерных для описания роторно-лопастных двигателей, вращающийся кольцевой элемент, обеспечивающий и кинематическую, и силовую связь между поршнем и выходным валом, исполняет роль ротора двигателя.
Поршень, в таком случае, исполняет роль лопасти роторного двигателя.
Важно отметить следующие особенности предлагаемой конструктивной схемы.
1. В предлагаемой конструкции двигателя движение рабочего органа - поршня - представляет собой однонаправленное движение по каналу кольцевого цилиндра. И при переносе поршня шлюзовой камерой, когда поршень проворачивается, его результирующее движение, определяемое наложением относительного движения поршня по каналу шлюза и переносного движения поршня, придаваемого вращением шлюзовой камеры, всегда содержит составляющую скорости, касательную к условной кольцевой оси цилиндра двигателя. И даже в тот момент, когда поршень в шлюзе останавливает свое движение во время поворота шлюза, останавливается лишь относительное движение поршня, а переносное движение, сообщаемое поршню вращением шлюза, обеспечивает необходимую для безостановочного вращения выходного вала окружную составляющую скорости (Фиг. 10). Таким образом, поршень в любой момент осуществляет непрерывное однонаправленное движение по цилиндру. Термин «однонаправленное движение» используется для обозначения замкнутого вращательного движения вдоль по кольцевому цилиндру и не должен рассматриваться в качестве аналога термина «прямолинейное». Термин «вращение» для движения поршня не используется, т.к. под вращением понимается движение по кругу, а поршень при движении в шлюзе суммарно совершает сложное движение. Кроме того, в общем случае кольцевой цилиндр может быть не круговым.
2. В предлагаемой конструкции двигателя отсутствуют самые высоконагруженные элементы современного двигателя. В ней нет необходимости в клапанном механизме. В ней нет кривошипно-шатунного механизма.
3. Самый ответственный элемент предлагаемой конструкции - поворотный шлюз -никогда при своем движении не преодолевает основных усилий, возникающих в двигателе, как это, например, происходит в клапанном механизме классического двигателя внутреннего сгорания.
Шлюз в своем движении ни в каком положении не преодолевает усилие рабочего давления. Привод шлюза не является силовым элементом. Его предназначение - исключительно кинематическое. Высоких требований по прочности или по усталостной прочности (выносливости) к этому устройству не предъявляется. Это принципиально отличает его как от механизма согласования движения лопастей - самого слабого элемента известных конструкций роторно-лопастных двигателей, так и от привода фиксаторов у прототипа.
4. Поршень всегда перемещается по направлению вращения выходного вала и, в принципе, не имеет положений, аналогичных верхней и нижней мертвым точкам кривошипно-шатунного механизма с их максимальными нагрузками на шейки коленчатого вала.
Это определяет и существенно более простую, а значит и более дешевую конструкцию, и менее жесткие требования к используемым материалам, и снижение требований к используемым смазкам, и менее жесткие требования к строгости поддержания температурного режима. Меньшая опасность перегрева двигателя позволяет провести упрощение системы охлаждения.
5. Предлагаемая схема работы двигателя, в которой половина кольцевого цилиндра никогда не содержит горящих газов, а шлюзы позволяют конструктивно разделить цилиндр на отдельные элементы, дает возможность рассматривать нетрадиционные решения. Например - различные по интенсивности системы охлаждения разных частей цилиндра. И даже различные по теплостойкости (а следовательно - по стоимости) материалы, используемые для изготовления разных частей одного и того же цилиндра.
6. Кинематическая схема предлагаемой конструкции не налагает существенных ограничений на размеры элементов. Поперечный размер цилиндра (условно, по аналогии с известными решениями, у которых поперечное сечение цилиндра и поршень являются круговыми, можно условно назвать его «диаметром» и длина цилиндра (можно рассматривать ее, как аналог известного понятия «хода поршня») могут варьироваться в самых широких пределах, что позволяет выбирать оптимальный режим горения смеси и наиболее эффективный вариант работы двигателя.
Предлагаемая конструкция использует те же физические принципы и термодинамические циклы, что и классические двигатели внутреннего сгорания. Это означает, что на ее основе может быть изготовлен и четырехтактный, и двухтактный двигатель. Он может быть и бензиновым, и дизельным, и работать на газообразном топливе. Более того, эта же конструктивная схема может быть использована и для двигателя внешнего сгорания, и для других механизмов, например для насосов. Ниже, в качестве примера, и в тексте, и в иллюстрациях будет рассматриваться вариант четырехтактного рабочего цикла что сделано для наглядности примеров и не должно ограничивать универсальность защищаемой конструктивной схемы.
Основные элементы, обеспечивающие работу механизмов двигателя представлены на фиг. 1. На фиг. 2 эти же элементы показаны в корпусе двигателя.
Рассмотрим рабочий цикл такого двигателя (Фиг. 3).
При работе двигателя в любой момент времени кольцевой цилиндр содержит 4
зоны:
Первая область (на схеме Фиг. 3 - область «w») - зона наполнения камеры сгорания горючей смесью
Вторая область (на схеме Фиг. 3 - область «х») - зона сжатия горючей смеси.
Третья область (на схеме Фиг. 3 - область «у») - зона горения (расширения) горючей смеси.
Четвертая область (на схеме Фиг. 3 - область «z») - зона выпуска отработанных газов.
Все 4 цикла одновременно присутствуют в соответствующих частях кольцевого цилиндра. Это означает, что предлагаемая конструкция с одним цилиндром аналогична четырехцилиндровому поршневому двигателю с кривошипно-шатунным механизмом преобразования возвратно поступательного движения во вращательное.
Опишем цикл на примере движения поршня 2.
На участке «w» поршень всасывает горючую смесь через впускной канал одновременно сжимая такую же смесь на участке «х».
При движении по кольцевому каналу цилиндра поршень входит в закрытый с одной стороны канал шлюзовой камеры 3.
После этого шлюзовая камера, поворачиваясь, переносит поршень из области «w-x» b область «у-z» (Фиг. 3).
Следует обратить внимание, что даже в тот момент, когда канал шлюзовой камеры, по которому перемещается поршень, оказывается направленным по радиусу кольцевого цилиндра, и собственная скорость поршня относительно канала оказывается направленной поперек направления вращения выходного вала, переносное движение добавляет поршню за счет движения шлюзовой камеры составляющую скорости, направленную по касательной к направлению вращения выходного вала, чем обеспечивает непрерывное однонаправленное вращение выходного вала (см. Фиг. 8-11).
Продолжая движение, поршень выходит из канала шлюзовой камеры в область «у-z» кольцевого цилиндра. В зоне «у» горючая смесь воспламеняется, происходит ее расширение, обеспечивающее рабочий ход.
В это время из зоны «z» отработанная горючая смесь выталкивается поршнем через выхлопное отверстие «о». В завершение этого цикла поршень входит в канал следующей шлюзовой камеры 1.
Вторая шлюзовая камера, поворачиваясь, переносит поршень из области «у-z» в область «w-x».
Далее рабочий цикл повторяется.
В любой момент времени в зоне «у» происходит рабочий ход с воспламенением горючей смеси.
Работа шлюзовой камеры по обеспечению беспрепятственного прохода поршня по каналу цилиндра является важнейшей особенностью предлагаемого решения, поэтому этот процесс детально показан на десяти положениях механизма, изображенных на Фиг. 4. А для двух из названных положений на Фиг. 5 показаны сечения шлюзовой камеры. На первом из них (М-М) шлюз пуст, а на втором (N-N) в шлюзовой камере 3 находится поршень 2.
Шлюзовая камера хоть и не несет силовых функций, но является важнейшим элементом конструкции. Поэтому на Фиг. 6 подробно показано одно из возможных конкретных конструктивных решений для этого узла.
В зависимости от характеристик конкретного двигателя (например - от числа оборотов) может быть использован или показанный кулачковый вариант привода механизма поворота шлюза, или зубчатая передача, или любой другой механизм. На Фиг. 7 показан один из вариантов привода механизма поворота шлюзовой камеры. Он использует кулачковый механизм.
На Фиг. 1 показаны элементы кинематической цепи, определяющей однозначную механическую связь между поршнем, ротором и через выходной вал - приводом механизма поворота шлюзовой камеры.
К моменту, когда поршень приближается к шлюзовой камере, кулачковый механизм фиксирует шлюз и гарантирует совмещение каналов цилиндра и шлюза для беспрепятственного прохода поршня в канал шлюза. Затем этот привод поворачивает шлюз с поршнем. И, в заключение, привод фиксирует шлюз, совмещая канал шлюза с каналом цилиндра следующей камеры. Эти три этапа проиллюстрированы на Фиг. 7.