РОТОРНАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ
DISPLACEMENT ROTARY MACHINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам объемного действия, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания (далее в тексте - ДВС), компрессора и др.
Известны поршневые машины объемного действия (см. книгу В.К.Вахламова «Автомобили. Основы конструкции», М., 2004, стр.19-33), содержащие в цилиндре, закрытом головкой, поршень, соединенный посредством шатуна с коленчатым валом. Их недостатком являются большие габаритные размеры и вес. Известны роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания Ванкеля (см. книгу Ю.Мацкерле «Автомобиль сегодня и завтра» М., 1980, стр.224-226), содержащие внутри цилиндра эпитрохоидной формы с крышками трехгранный ротор, соединенный с трансмиссионным валом зубчатой передачей внутреннего зацепления. Основным недостатком этих двигателей является повышенная токсичность отработавших газов из-за большого отношения площади охлаждаемой поверхности камеры сгорания к ее объему.
Прототипом является роторная машина объемного действия (см. авторское свидетельство №838099 по кл. F04С 2/00), содержащая два ротора в кольцевой камере с впускным и выпускным окнами, механизмы привода роторов, включающие в себя конические шестерни в сборе с кривошипами, опирающиеся на неподвижные конические колеса, и маятники на валах роторов с осью качания, перпендикулярной оси вала, подвижно сопряженные с кривошипами, а также синхронизирующую передачу между механизмами привода роторов.
Недостатком указанного устройства являются неизбежно большие диаметры конических шестерен и цилиндрических шестерен синхронизирующей передачи из-за их расположения вокруг кривошипов и вокруг механизма привода роторов соответственно. Существующие ограничения по линейной скорости зубчатых передач (из-за снижения контактной прочности поверхностей зубьев и повышения шума) не позволят получить приемлемую скорость вращения трансмиссионного вала и, как следствие, мощность установки при допустимых габаритных размерах.
В предлагаемой роторной машине объемного действия, содержащей два ротора с лопастями в кольцевой камере с впускным(и) и выпускным(и) окнами, датчики состояния машины и механизм привода роторов, включающий в себя конические шестерни, опирающиеся на неподвижные конические зубчатые колеса, и установленные поперек валов роторов и связанные с ними маятники, подвижно сопряженные с кривошипами, дополнительно валы роторов расположены коаксиально, а конические шестерни соединены с кривошипами жесткими механическими передачами и расположены в корпусе механизма, который жестко соединен с трансмиссионным валом или выполнен заодно с ним.
Роторная машина объемного действия может содержать устройство регулирования фаз газораспределения, состоящее из устройства изменения угловой протяженности окон, его датчика положения, исполнительного устройства и блока управления, анализирующего показания датчиков состояния машины и датчика положения.
Предлагаемое решение позволяет размещать конические шестерни близко к оси роторной машины, в результате чего, при равной с прототипом линейной скорости конических зубчатых передач, скорость вращения, а следовательно, и передаваемая мощность, значительно увеличатся и достигнут имеющихся у поршневых машин, тем более что синхронизирующая передача отсутствует. Устройство регулирования фаз газораспределения также ведет к повышению мощностных показателей за счет более полного использования естественного наддува на промежуточных режимах работы. Отношение площади поверхности камеры сгорания к ее объему у предлагаемой роторной машины объемного действия, при использовании в качестве ДВС, соизмеримо с поршневым ДВС, поэтому токсичность отработавших газов у них будет примерно одинакова. Использование одного рабочего цилиндра вместо разнесенных восьми (из расчета количества полных циклов за два оборота трансмиссионного вала) у поршневых машин ведет к значительному уменьшению габаритных размеров и веса роторной машины по сравнению с поршневой. Предлагаемая роторная машина полностью уравновешена от действующих сил инерции, так как колебательные движения роторов и соответствующих деталей их привода происходят в противофазах.
На фиг.1 изображен вид справа на роторную машину - бензиновый ДВС, при начальном положении роторов; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 (по середине рабочего цилиндра); на фиг.3 - сечение Б-Б (по осям кривошипов) на фиг.1; на фиг.4 и 5 - разрез В-В на фиг.2 (трансмиссионный вал повернут на 45°); на фиг.6 - функциональная схема устройства регулирования фаз газораспределения; на фиг.7 - сечение Г-Г на фиг.2; на фиг.8 - вид Д на фиг.1.
Роторная машина содержит два ротора: передний 1 с лопастями 2 и 3 и задний 4 с лопастями 5 и 6, расположенными в кольцевой камере, ограниченной крышкой цилиндра 7, крышкой механизма 8 и стенкой рабочего цилиндра 9, содержащего впускное 10 и выпускное 11 окна. Роторы 1 и 4 жестко соединены с валами 12 и 13, установленными в подшипниках 14, 15, 16 и 17 коаксиально. На шлицах валов 12 и 13 расположены ступицы 18 и 19, содержащие оси маятников 20. На каждой из ступиц 18 и 19 качаются по два маятника 21, противоположные цилиндрические поверхности (шипы) которых через подшипники 22 сопряжены с отверстиями кривошипов 23. На крышке механизма 8 и на кожухе маховика 24 закреплены неподвижные конические зубчатые колеса 25 и 26, каждое из которых сопрягается с двумя симметрично расположенными коническими шестернями 27. Каждый кривошип 23 и соответствующая коническая шестерня 27 соединены между собой жесткой механической передачей, состоящей из цилиндрических шестерни 28 кривошипа 23, шестерни 29 вала 30, конической шестерни 27 и паразитных шестерен 31 - по две у каждого привода переднего ротора 1 и по одной у приводов заднего ротора 4, и расположены в корпусе механизма 32. Оси 33 кривошипов 23 и подшипники 34 и 35 валов 30 конических шестерен 27, а также оси 36 паразитных шестерен 31 закреплены на корпусе механизма 32 и на крышках 37 и 38 передач, жестко соединенных болтами с корпусом механизма 32. Он вращается в подшипнике 39 кожуха 24 маховика и является трансмиссионным валом. Между неподвижными крышкой механизма 8 и кожухом 24 маховика расположен кожух 40 механизма.
Устройство регулирования фаз газораспределения включает в себя блок управления 41, который по заложенной в него программе анализирует показания датчика положения 42 и датчиков состояния 43 машины - скорости вращения, нагрузки, температуры охлаждающей жидкости и др., исполнительное устройство 44 - это соленоиды 45 и 46, включающиеся в нужный момент времени по сигналу блока управления 41, и устройство 47 изменения угловой протяженности окон (в данном исполнении только впускного окна 10), размещенное между цилиндром 9 и впускным патрубком 48 и состоящее из набора заслонок 49 с пазами 50, насаженных на вал 51 заслонок, в середине которого имеется флажок 52 с толщиной, немного меньшей, чем толщина одной заслонки, а на концах установлены с возможностью поворота относительно оси вала 51 верхние 53 и нижние 54 штыри, входящие в отверстия цилиндра 9, впускного патрубка 48 и заслонок 49, и закрепленный на валу 51 рычаг 55. Пружина 56 оттягивает рычаг 55 вверх, а соленоид 45, при включении, вниз. Пружина 57 оттягивает вал заслонок 51 по оси вверх, а соленоид 46, при включении, вниз.
В начальном положении оси обоих шипов маятников 21 привода переднего ротора повернуты против часовой стрелки относительно осей 33 кривошипов (фиг.3 внизу), а оси шипов маятников 21 привода заднего ротора - по часовой стрелке (фиг.3 вверху). При этом оси лопастей 2 и 3 переднего ротора и 5 и 6 заднего ротора располагаются, как показано на фиг.2 (оси лопастей и соответствующие оси шипов маятников 21 всегда лежат в одной плоскости, проходящей через ось двигателя). После поворота корпуса механизма 32 на 45° по часовой стрелке (фиг.3) конические шестерни 27, сопряженные с неподвижными коническими зубчатыми колесами 25 и 26, повернутся за счет передаточного отношения на 90°, а вместе с ними повернутся на такой же угол, но в различных направлениях цилиндрические шестерни 29, паразитные шестерни 31, шестерни 28 кривошипов, кривошипы 23 и шипы маятников 21, которые будут располагаться, как показано на фиг.4 и 5: оба шипа маятников 21 привода заднего ротора сместятся назад, а шипы маятников 21 привода переднего ротора - вперед. При этом оси лопастей переднего ротора 2 и 3 повернутся по часовой стрелке, относительно показанного на фиг.2, до вертикального положения, а оси лопастей заднего ротора 5 и 6 - до горизонтального положения. В камеру между лопастями 2 и 5 впускается воздух из впускного патрубка 48 и впрыскивается бензин из форсунки 58, в камере между лопастями 2 и 6 происходит сжатие смеси, в камере между лопастями 3 и 6 - расширение после воспламенения смеси свечой 59, а из камеры между лопастями 3 и 5 выпускаются отработавшие газы через выпускное окно 11. После дальнейшего поворота корпуса механизма 32 на 45° по часовой стрелке (фиг.3) оси обоих шипов маятников 21 привода переднего ротора будут повернуты по часовой стрелке относительно осей 33 кривошипов, а оси шипов маятников 21 привода заднего ротора - против часовой стрелки, лопасть 2 займет положение лопасти 6, лопасть 6 - лопасти 3 и т.д. Такты впуск, сжатие, расширение и выпуск повторятся в последующих камерах.
При стабильном положении нижние штыри 54 под действием усилия пружины 57, передающегося через вал заслонок 51, проходят через отверстия всех открытых заслонок, фиксируя их, и упираются в закрытую текущую 60 заслонку, в пазу которой находится флажок 52 вала 51. Все закрытые заслонки, кроме текущей 60, фиксируются верхними штырями 53. Текущая заслонка прижимается в закрытое положение флажком 52 под действием усилия пружины 56, передающегося через рычаг 55 и вал 51. Блок управления 41 по показаниям датчиков 43 состояния машины определяет оптимальное положение текущей заслонки и сравнивает его с показаниями датчика положения 42. При необходимости открыть текущую заслонку 60 блок управления 41 кратковременно подает ток на соленоид 45. Он, преодолевая усилие пружины 56, поворачивает рычаг 55 с валом 51 и флажком 52 переводит текущую 60 заслонку в открытое положение, а нижние штыри 54 сразу фиксируют ее, передвигаясь, совместно с валом 51, флажком 52 и верхними штырями 53 вверх под действием пружины 57 до упора нижних штырей 54 в следующую закрытую заслонку, которая становится текущей. При необходимости закрытия предыдущей открытой заслонки 61 блок управления 41 вначале подает ток на соленоид 46, который, преодолевая усилие пружины 57, перемещает вал 51 по оси вниз до упора флажка 52 в предыдущую открытую заслонку 61. При этом верхние штыри 53 частично входят в отверстия текущей заслонки 60, фиксируя ее в закрытом положении. Затем кратковременно подается ток на соленоид 45, вал 51 поворачивается, и флажок 52 проваливается в паз 50 предыдущей открытой заслонки 61 до упора в нее верхних штырей 53. После выключения тока в соленоиде 45 под действием пружины 56 флажок 52 поворачивается и переводит предыдущую открытую заслонку 61 в закрытое положение. После выключения тока в соленоиде 48 все устройство переходит в стабильное положение.