РОТОРНО - ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по заявке на получение патента на полезную модель относится к машиностроению, в частности, к области двигателей внутреннего сгорания и может быть использован в качестве силовой установки на стационарных объектах и подвижных транспортных средствах.
Известны двигатели внутреннего сгорания классического исполнения с применением кривошипно-шатунного механизма в силовом звене преобразования химической (тепловой) энергии сгорания топлива в механическую с различным расположением цилиндров, а именно рядные двигатели, V и W-образные, звездообразные, оппозитные двигатели, содержащие в качестве основного силового звена кривошипно-шатунный механизм и реализующие принцип преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение рабочего вала мощности.
Указанные двигатели достаточно полно описаны в изданиях:
Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование. Учебное пособие под редакцией В.Н. Лукашина. М; Высшая школа, 1995.
Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.; Машиностроение, 1990.
Наличие кривошипно-шатунного механизма в двигателе внутреннего сгорания предполагает преобразование возвратно - поступательного движения поршней во вращение выходного вала, что обуславливает внесение потерь на преобразование видов движения и потерь на трение, а также пространственное разнесение цилиндров и рабочего вала мощности, что вызывает увеличение габаритов двигателя, его металлоемкость, трудоемкость при изготовлении, а также массы двигателя в целом.
В связи с указанным обстоятельством в последнее время появился ряд двигателей и предложений по их созданию с использованием принципов исключающих наличие кривошипно-шатунного механизма в силовом звене двигателя и преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращение выходного вала мощности, которые условно можно разделить на роторно-поршневые и роторно-лопастные двигатели.
Типичным представителем класса роторно-порпшевых двигателей является двигатель, разработанный в 1957 году Ванкелем (F. Wankel, ФРГ). Особенность двигателя - применение перемещающегося близко к вращению цилиндрического ротора сложной формы внутри цилиндрической полости, сечение рабочей поверхности которой отличается от кругового, выполнено в форме эпитрохоиды. Сложная геометрия ротора и полости позволяет получать рабочие объемы двигателя. Такое построение как рабочей полости так и ротора вызывает ряд трудностей технологического плана при изготовлении такого двигателя, а также сложности в обеспечении герметизации рабочих объемов.
Известен также двигатель, описанный в патенте РФ 2170836, построенный по тому же принципу, что и рассмотренный выше. Отличие предложения в изменении остающихся сложными форм рабочей камеры и ротора, а также в съеме выходного момента с рабочего вала.
Преимущества этого типа двигателей по сравнению с обычным поршневым двигателем классического исполнения заключаются в уменьшении количества деталей, меньшим удельным весом на единицу мощности, в снижении трудоемкости при изготовлении и меньшими габаритами двигателя, однако при разработке этого типа двигателей выявился ряд трудностей, заключающийся в сложности изготовления рабочей камеры и ротора, отработке качественного рабочего процесса в камере сложной геометрической конфигурации, обеспечении герметичности уплотнения рабочих объемов, и ряд других трудностей, ограничивающих применение указанного двигателя. Кроме того, несимметричное расположение силовых органов двигателя вызывают в нем дополнительную вибрацию вала мощности.
В связи с вышеуказанными особенностями для устранения недостатков, присущих роторно-поршневым двигателям появились предложения по созданию роторно-лопастных двигателей. В этом типе двигателей рабочие полости создаются лопастями внутри рабочей камеры цилиндрической или иной круговой конфигурации путем изменения объемов рабочих полостей внесением в процесс перемещения лопастей внутри рабочей камеры взаимной неравномерности их вращения. Процесс управления лопастями обеспечивает механизм синхронизации. Подобный подход в значительной степени упрощает двигатель ввиду отсутствия в нем преобразования возвратно-поступательного движения рабочих органов во вращение выходного вала, а также исключение применения в двигателе рабочей камеры и ротора сложной формы упрощает конструкцию и повышает эффективность двигателя. Кроме того, исключение рабочей камеры специальной сложной формы и размещенного в ней ротора сложной конфигурации в значительной степени упрощает изготовление двигателя, герметизацию его рабочих полостей, а исключение шатунно-поршневой группы в силовом звене двигателя уменьшает его габариты в целом.
Значительное ограничение в применении указанного типа двигателей внутреннего сгорания вызывает сложность в построении механизма синхронизации лопастей и съема крутящего момента с двигателя.
Представителями роторно-лопастных двигателей внутреннего сгорания можно назвать разработки приводимые в описаниях к следующим патентам на изобретение и авторским свидетельствам.
Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1318704.
Роторный двигатель. Двигатель содержит секторные лопасти, которые попарно соединены и помещены в цилиндрическую полость. Механизм синхронизации лопастей и съема крутящего момента с двигателя выполнен в виде пары рычагов, соединенных с валами лопастей и кулисы, установленной на выходном валу шарнирно. В отношении предложенного в авторском свидетельстве решения следует указать на сложность герметизации образующихся в процессе работы полостей, сложность в изготовлении и настройке механизма синхронизации, а также высокие динамические нагрузки в рабочем такте на механизм синхронизации, ведущие к износу взаимодействующих звеньев двигателя.
Описание к патенту RU 2014479.
Роторный двигатель внутреннего сгорания.
Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый разъемный корпус с торцевыми крышками и средствами газораспределения, в полости которого соосно с полостью размещены с возможностью вращения и взаимного смещения лопастей, механизм синхронизации, кинематически связывающий посредством эксцентриков и шатунов коаксиальные валы с выходным валом. В отношении предложенного в описание к патенту решения следует указать на сложность герметизации образующихся в процессе работы полостей, сложность в изготовлении и настройке механизма синхронизации, а также высокие динамические нагрузки на механизм синхронизации, ведущие к износу взаимодействующих звеньев двигателя. Кроме того, несимметричное расположение относительно оси вращения рабочей полости, полостей всасывания и выпуска ведет к возникновению вибрации выходного вала двигателя.
Описание к патенту RU 2043521.
Роторный двигатель внутреннего сгорания.
Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус с образованной в нем цилиндрической полостью, в которой размещены с возможностью вращения и взаимного смещения лопастей и образования камер переменного объема. Механизм синхронизации лопастей образуется двумя парами эллиптических шестерен. Указанному решению присущи также рассмотренные выше недостатки, а также сложность изготовления эллиптических шестерен привода лопастей во вращение.
Наиболее близким к предлагаемой заявке на получение патента на полезную модель является роторно-лопастной двигатель, рассмотренный ниже.
Описании к патенту RU 2070646.
Роторно-лопастной двигатель,
Роторно-лопастной двигатель, содержащий корпус, размещенный в нем рабочий цилиндр с вращающимися внутри него двух пар лопастей и механизм управления и передачи вращения от двух пар лопастей к валу мощности, с которого снимается крутящий момент, содержащий два рабочих полых вала, внутри которых проходит вал мощности, шестеренчатую передачу с двумя подвижными шестернями и с неподвижной шестерней, закрепленной на основании двигателя, пару кривошипов.
Новым в предлагаемой заявке на получение патента на полезную модель является то, что с целью снижения динамических нагрузок на механизм управления и передачи вращения в рабочем такте, а также для снижения вибрации вала мощности в предложение введены вторая шестеренчатая передача с двумя подвижными шестернями и с неподвижной шестерней, закрепленной на основании двигателя, вторя пара кривошипов, два водила, соединенные с валом мощности, а посредством подшипников с подвижными шестернями, две муфты обратного хода, две сцепные муфты, два узла демпфирования крутящего момента. Герметизация рабочих полостей в предложении обеспечивается применением рабочей камеры в виде тора, а лопасти представляют собой сегменты тора, уплотняемые компрессионными кольцами. Для обеспечения синхронизации а также возможности адаптации к режиму работы двигателя работы форсунок впрыска топлива в рабочую полость, фаз и длительности работы клапанов, включения свечей зажигания, управление их работой осуществляется сигналами микропроцессора на основе информации об угловом положении вала мощности. Эта информация формируется датчиком углового положения - энкодером, соединенным через шестеренчатую передачу с валом мощности. Управление работой сцепных муфт осуществляется их схемами управления также синхронизированными с валом мощности.
Предлагаемое в заявке на получение патента на полезную модель изделие строится по принципу роторно-лопастного двигателя. Рабочий цикл изделия включает, как и в рабочих полостях двигателей классического исполнения, такт всасывания воздушной смеси, такт сжатия рабочей смеси и впрыск топлива в рабочую камеру, рабочий ход и такт выпуска отработавших газов.
Принципы построения и особенности работы предлагаемого в заявке роторно-лопастного двигателя рассматривается ниже и иллюстрируются рисунками.
На фиг. 1 представлена структурная схема роторно-лопастного двигателя.
Двигатель в своем составе содержит: полый разъемный корпус 1, рабочий вал 2 мощности, жестко соединенные с ним два водила 9 и 10, жестко соединенные с валом выходы сцепных муфт 19 и 20, и через шестеренчатую передачу с соотношением диаметров делительных окружностей шестерен 1:2 соединенный с ним датчик углового положения (энкодер) 34. Съем полезной мощности двигателя осуществляется с рабочего вала 2 мощности.
На корпусе 1 двигателя жестко установлены неподвижные шестерни 3, 4. Через осевые центральные отверстия этих шестерен проходит рабочий вал 2 мощности. С корпусом 1 соединяются выходы муфт 17 и 18 обратного хода (обгонных муфт). На концах водил 9 и 10 через подшипники вращения установлены две пары подвижных шестерен (сателлитов) 5, 6 и 7, 8 соответственно. Сателлиты 5, 6 зубчатой передачей сопряжены с неподвижной шестерней 3, а сателлиты 7, 8 сопряжены с неподвижной шестерней 4 зубчатой передачей с соотношением диаметров делительных окружностей 2:1. На осях вращения сателлитов 5, 6 и 7, 8 жестко установлены кривошипы 21, 22 и 23, 24 соответственно.
Кроме того, двигатель содержит первый узел 11 демпфирования крутящего момента, представляющий собой многозаходную спиральную пружину, состоящую из нескольких лент, навитых и равномерно укрепленных одними концами на заводном валике, жестко установленном на барабане 13, а вторые концы лент укреплены на крышке 15, имеющей два радиальных продольных паза. Крышка предварительно закручивается относительно барабана исходным рабочим крутящим моментом, примерно равным требуемому моменту в конце такта сжатия двигателя. На узле установлены фиксаторы, предотвращающие раскручивание пружины и позволяющие ее дополнительное закручивание в процессе работы двигателя. Несколько лент, составляющих многозаходную спиральную пружину, позволяют пропорционально числу лент увеличить ее рабочий момент.
Аналогично рассмотренному узлу построен второй узел 12 демпфирования, содержащий барабан 14 и крышку 16.
Шатуны кривошипов 21, 22 и 23, 24 оснащены сухарями, которые входят в продольные радиальные пазы крышек 15 и 16 узлов 11 и 12 соответственно и свободно перемещаются в пазах. При этом кривошипы 21, 22 сдвинуты друг относительно друга на угол 180 градусов и обращены в исходном положении вала 2 мощности от вала, а кривошипы 23, 24 сдвинуты так же и обращены в исходном положении вала 2 мощности к валу. Такое размещение позволят получать неравномерное взаимное вращательное перемещение узлов 11 и 12 друг относительно друга. Элементы, обеспечивающие это перемещение, образуют механизм синхронизации.
В рабочую камеру 29, конструктивно выполненную в виде состоящего из верхней и нижней половин тора, вмонтированных в корпус 1, установлена первая рабочая лопасть 30, образованная двумя противоположно расположенными и жестко соединенными между собой сегментами тора, вторая аналогичная рабочая лопасть 31. В исходном состоянии рабочая лопасть 30 сдвинута на угол 90° относительно лопасти 31.
Барабаны 13, 14 узлов 11 и 12 посредством полых валов 32 и 33 соединены соответственно с рабочими лопастями 30 и 31. В дальнейшем на рисунках лопасть 30 обозначается А1А2, а лопастью 31, обозначается Б1Б2. Обозначение полостей принимается как промежуток между соответствующими лопастями. Образуемые лопастями четыре полости обозначаются А1Б1, А1Б2, А2Б1, А2Б2.
Полые валы 32 и 33 установлены на рабочий вал 2 мощности и имеют возможность свободного вращения на нем.
Вход первой сцепной электромагнитной муфты 19 соединен с полым валом 32, а вход второй сцепной электромагнитной муфты 20 соединен с полым валом 33.
Предотвращение обратного вращения лопастей двигателя во время расширения рабочей смеси и рабочего хода осуществляется с помощью муфт 17 и 18 обратного хода, входы которых соединены с полыми валами 32 и 33 соответственно.
Управление работой впускных и выпускных электромагнитных клапанов 25, 26 осуществляется сигналами микропроцессора 35 по информации, выдаваемой энкодером 34. Кроме этого сигналами микропроцессора 35 осуществляется управление работой подключенных к рабочей камере 29 свечей 27 зажигания, форсунок 28 непосредственного впрыска в камеру сгорания топлива.
Приведенные ниже рисунки фиг. 2 - фиг. 5 представлены в условно статическом варианте, т.е. не учитывалось вращение спиральных пружин и лопастей вокруг оси вращения, а учитывались лишь взаимные перемещения этих элементов двигателя друг относительно друга, рисунок, приведенный на фиг.6 представлен в варианте, учитывающем вращение и взаимные перемещения элементов двигателя.
На фиг. 2 представлена схема привода кривошипов.
При соотношении диаметров делительных окружностей неподвижных шестерен и сателлитов 1:2 выводятся следующие соотношения между углом x поворота рабочего вала 2 мощности и углами y1 и y2 поворота крышек спиральных пружин 11 и 12 относительно исходного положения вала 2 мощности.
y1=arctg[(sinx12)/((3D/d)-cosx/2)]
y2=arctg[(sinx12)/((3D/d)+cosx/2)]
где x - угол поворота вала 2 мощности;
D - диаметр начальных окружностей неподвижных шестерен 3, 4;
2D - диаметр начальных окружностей сателлитов 5, 6, 7, 8;
d - диаметр окружностей вращения кривошипов 21,22 и 23,24.
На фиг. 3 представлена схема привода кривошипами 21-24 крышек узлов 11 и 12 демпфирования крутящего момента.
Рисунок представляет процесс в статике.
Как следует из рисунка при вращении водила вокруг оси кривошипы, повернутые в исходном положении рабочего вала от вала поворачивают крышку узла демпфирования момента на угол y1, а шатуны кривошипов, повернутые к валу поворачивают крышку на угол y2.
0
min
На фиг. 4 представлен график изменения объема полостей А1Б1-А2Б2 в первой фазе и изменения объема полостей А1Б2-А2Б1 во второй фазе от V до V. График построен при условии исключения работы сцепных и обгонных муфт, а также изменения углов закручивания пружин узлов демпфирования момента вследствие включения муфт.
Величина степени сжатия может варьироваться при установке узлов 11 и 12 и определяется режимом работы, видом топлива и т.д. По окончании такта сжатия свечами 27 зажигания осуществляется воспламенение рабочей смеси в камерах сгорания, образованных полостями А1Б1-А2Б2 в первой фазе, полостями А1Б2 - А2Б1 во второй фазе и осуществляется такт рабочего хода.
На фиг.5 представлена диаграмма изменения объема рабочих полостей А1Б1-А2Б2 (А1Б2-А2Б1) в зависимости от углового положения вала 2 мощности в рабочем режиме двигателя с учетом действия сцепных и обгонных муфт и изменения углов закручивания пружин узлов демпфирования момента.
Фиг. 6 иллюстрирует динамику изменения положения лопастей при вращении вала 2 мощности с шагом 22,5° в рабочем режиме двигателя и образования рабочих полостей А1Б1-А2Б2 в первой фазе - первые две строки и образования рабочих полостей А1Б2-А2Б1 во второй фазе - вторые две строки. Значками ☼ обозначены моменты воспламенения рабочей смеси, а значком ][- окончание рабочего такта за счет открытия выпускных клапанов и падения давления в рабочих полостях.
Двигатель работает следующим образом.
Полный рабочий цикл двигателя состоит из двух фаз. Каждая фаза составляет полный поворот вала 2 мощности и включает в себя все рабочие такты классического четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (всасывание воздушной смеси, сжатие воздушной смеси и впрыск топлива, рабочий ход, выпуск отработавших газов). Начало каждой фазы привязано к нулевому положению вала 2. Как указывалось выше, в начале первой фазы в исходном положении шатуны кривошипов 21, 22 развернуты от вала 2, а шатуны кривошипов 23, 24 развернуты к валу 2, а в начале второй фазы положение шатунов меняется, т.е. шатуны кривошипов 21, 22 развернуты, к валу 2, а шатуны кривошипов 23, 24 развернуты от вала 2.
При повороте вала 2 мощности а вместе с ним водила 9 и водила 10 на угол x валы сателлиты 5, 6 и 7, 8 за счет качения по неподвижным шестерням 3 и 4 поворачиваются на угол x/2, что обусловлено выбранным соотношением диаметров делительных окружностей шестерен 3, 4 и сателлитов 5-8 как 1:2, на этот же угол поворачиваются валы кривошипов 21, 22 и 23, 24, крышка 15 узла 11 поворачивается шатунами кривошипов 21, 21 на угол y1, а крышка 16 узла 12 при этом поворачивается шатунами кривошипов 23, 24 на угол y2, а с учетом вращения элементов двигателя и взаимного сдвига лопастей на 90 градусов друг относительно друга, угловая динамика полостей между рабочими лопастями 30 и 31 опишется выражением
,
где  - угловая скорость вращения вала 2 мощности;
B - угловой размер сегмента лопасти.
Барабаны 13, 14 узлов 10, 11 через полые валы 32 и 33 производят поворот лопастей 30, 31. Угловой размер каждого из сегментов лопастей выбирается из условия получения в процессе работы необходимых минимальных угловых размеров рабочей полости. Угловые размеры сегментов лопастей и их взаимные сдвиги дают возможность при вращении вала 2 мощности получать в кольцевой рабочей камере 29 требуемые для работы двигателя внутреннего сгорания объемы с различным давлением рабочей смеси.
Узлы 10 и 11 обеспечивают получение в областях сжатия рабочей камеры 29 требуемого для нормальной работы двигателя давления рабочей смеси в конце такта сжатия. Превышение рабочего давления в такте сжатия вызывает дополнительное закручивание спиральных пружин узлов.
В первой фазе при вращении вала 2 мощности происходит привод рабочих лопастей 30, 31 и образуются стенками лопастей две полости (А1-Б1 и А2-Б2) изображенных на фиг.6. Открываются входные клапаны 25, воздух поступает в полости, после этого клапаны закрываются и происходит сжатие воздуха в полостях А1-Б1 и А2-Б2. Перед окончанием такта сжатия через форсунки 28 производится впрыск топлива в эти полости. При достижении валом 2 угла, соответствующего началу такта рабочего хода осуществляется воспламенение с помощью свечей 27 рабочей смеси и ее расширение - рабочий ход. Расширение горючей смеси в полости вызывает вращение лопасти 30.
Во второй фазе при вращении вала 2 мощности происходит образование стенками лопастей двух полостей (А1-Б2 и А2-Б1) см. фиг. 6 Аналогично рассмотренному выше процессу при изменении углового положения вала 2 мощности от 0° до 360° второй фазы осуществляется рабочий процесс в этих полостях.
Введение в заявку сцепных муфт позволяет во время рабочего хода - при расширении рабочей смеси в полости осуществлять передачу вращающего момента от лопасти на вал 2 мощности через муфту и полый вал. Такое решение позволяет исключить значительные динамические нагрузки на элементы механизма синхронизации двигателя на такте рабочего хода. В первой фазе передача вращающего момента от лопасти 30 на вал 2 мощности осуществляется через полый вал 32 и сцепную муфту 19, которая включается на рабочем ходу лопасти, а обратное вращение лопасти 31 во время рабочего хода предотвращает обгонная муфта 18 путем фиксации лопасти относительно корпуса двигателя. При этом происходит дополнительное закручивание пружины узла 11. По окончании рабочего хода в полостях А1-Б1 и А2-Б2 открываются выпускные клапаны 26, осуществляется выпуск отработавших газов, что ведет к снижению давления в полостях, а также благодаря падению давления в полостях происходит восстановление исходного положения спиральной пружины узла 11. Управление работой клапанов, сцепных муфт, форсунок и свечей зажигания осуществляется микропроцессором 35 в соответствие с информацией об угловом положении вала 2, поступающей с энкодера 34.
Аналогично рассмотренному во второй фазе осуществляется передача момента с лопасти 31 и фиксация на корпус лопасти 30, дополнительное закручивание пружины узла 12 и управление соответствующими узлами.
Лопасть, которая во время рабочего хода находится впереди по ходу вращения вала 2 мощности является активной, передающей вращающий момент на вал, лопасть, находящаяся сзади - пассивной лопастью. В первой фазе активной является лопасть 30, во второй фазе активной является лопасть 31.
Введение сцепных муфт 17, 18, передающих рабочий момент с лопастей 30, 31 на рабочий вал 2 мощности, предотвращает воздействие значительных динамических нагрузок на узлы 11, 12, кривошипы 21-24, а также на шестерни 3-8 и на водила 9, 10 их привода, что снижает износ указанных элементов.
Рабочий цикл, осуществляемый в предлагаемой заявке, происходит в симметричных противоположных относительно вала мощности областях, за счет чего в значительной мере снижается вибрация вала мощности, а за счет того, что рабочий цикл происходит на каждом обороте вала 2 мощности, повышается равномерность его вращения.
Ввиду того, что каждая рабочая полость двигателя представляют собой пару противоположных относительно вала 1 мощности изолированных друг от друга сегментных объемов, то последовательность циклов всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа в каждом объеме полости необходимо организовывать отдельно, что в свою очередь потребовало удвоения числа входных и выходных клапанов механизма газораспределения, а также форсунок непосредственного впрыска топлива и свечей зажигания.
Тороидальная форма рабочих камер позволяет осуществлять круговое движение роторов - лопастей и надежно их герметизировать с помощью поршневых колец, что в значительной степени отработано герметизацией поршней в цилиндрах традиционных двигателей внутреннего сгорания.
Во время рабочего хода в полостях А1-Б1 и А2-Б2 всасывание воздуха в полости А1-Б2 и А2-Б1, а во время рабочего хода в полостях А1-Б1 и А2-Б2 всасывание воздуха в полости А1-Б2 и А2-Б1 обеспечиваются впускными клапанами 25. Введение в двигатель энкодера и микропроцессора делает возможным адаптивно в зависимости от режима работы двигателя формировать сигналы управления работой клапанов, форсунок, свечей зажигания, что в свою очередь приведет к повышению эффективности роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания по заявке на получение патента на полезную модель.