РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, а более конкретно к двигателю внутреннего сгорания роторного типа.
Уровень техники
Традиционные двигатели внутреннего сгорания включают в себя по меньшей мере один цилиндр, внутри которого возвратно-поступательно перемещается поршень, приводимый в движение взрывной энергией, возникающей в результате сгорания топлива от искры или сжатия. Энергия, произведенная указанным образом, приводит в движение вал, предназначенный для создания тяги, например, в автотранспортных средствах, или для статического использования в другом оборудовании, или же для выработки большей мощности, например, для запуска электрогенератора.
Указанный принцип действия претерпел много видоизменений. Например, в двигателе Ванкеля используется по меньшей мере один специально формованный ротор, размещенный на ведущем валу. В этом случае топливо при воспламенении обеспечивает движущую силу для вращения указанного ротора, а следовательно, и для вращения вала. Другой пример представляет собой роторный двигатель, примененный в некоторых военных самолетах ранних моделей во времена Первой Мировой войны. Отличительной особенностью этого двигателя было то, что тело поршня приводило в движение сам пропеллер, а не коленчатый вал. Другие роторные двигатели использовались, на уровне испытательных образцов, в мотоциклах и в ранних моделях дорожных транспортных средств. Основной дошедший до нашего времени тип роторного двигателя представляет собой двигатель Ванкеля, модификацией которого снабжены автомобили, серийно выпускаемые компанией Mazda.
Преимущество роторных двигателей состоит в том, что они по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания обладают повышенной удельной мощностью на единицу веса и улучшенной уравновешенностью. Однако себестоимость двигателя также является важным фактором. Но при коммерческих масштабах производства степень сложности указанных двигателей выливается в большие производственные издержки, отражающиеся на цене продажи.
Соответственно, существует потребность в улучшенном роторном двигателе, который обладал бы теми же преимуществами, что и другие двигатели этого типа, но при этом отличался бы низкой стоимостью производства и, следовательно, имел бы доступную цену.
Сущность изобретения
Таким образом, основная задача настоящего изобретения заключается в создании улучшенного роторного двигателя.
Другая задача изобретения состоит в создании надежного и эффективного двигателя, содержащего уникальные конструктивные рабочие элементы, затраты на изготовление которых являются невысокими, в силу чего двигатель имеет конкурентоспособную стоимость и доступен для пользователей.
Другая задача изобретения состоит в создании роторного двигателя по существу модульной структуры, обеспечивающей возможность замены составных частей и их взаимозаменяемость. Кроме того, модульная структура повышает вариативность при выборе конструкции и принципа действия силовых передач.
Также важная задача изобретения заключается в создании роторного двигателя, обладающего улучшенной уравновешенностью, низким трением и низкими шумовыми характеристиками.
Предложенный роторный двигатель характеризуется тем, что он содержит корпус цилиндра; цилиндр, установленный в этом корпусе с возможностью аксиального вращения; головку цилиндра, выполненную с возможностью совместного вращения с торцом цилиндра и прикрепленную к этому торцу; по меньшей мере одно отверстие, предусмотренное в головке цилиндра; клапанный блок, прикрепленный к корпусу и совмещенный с головкой цилиндра с обеспечением сообщения каналов; поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра; по меньшей мере два вращающихся в противоположных направлениях коленчатых вала, каждый из которых содержит по меньшей мере одно колено; шатуны, прикрепленные к колену соответствующего коленчатого вала и к поршню; основание стакана шестерней, прикрепленное к цилиндру; шестерни, жестко соединенные с каждым коленчатым валом и установленные с возможностью вращения в противоположных направлениях в указанном основании; фиксированное зубчатое кольцо, прикрепленное к корпусу и взаимодействующее с каждой из шестерен; и выходной вал, соединенный с основанием стакана шестерней.
В предпочтительном случае каждая шестерня выполнена в форме конического зубчатого колеса, а зубцы фиксированного зубчатого кольца скошены соответственным образом.
Двигатель также содержит корпус кривошипа, соединенный с корпусом цилиндра с противоположного от клапанного блока конца, причем корпус цилиндра вмещает коленчатые валы и стакан шестерней, при этом указанное зубчатое кольцо расположено и закреплено между корпусом цилиндра и корпусом кривошипа, оно проходит внутрь корпуса кривошипа в его периферической зоне.
В основании стакана шестерней предусмотрено по одному кольцу подшипника на каждый коленчатый вал, а также соединение для выходного вала.
Основание стакана шестерней соединено с каркасом стакана шестерней, образующим конец цилиндра, противоположный клапанному блоку, причем во время работы двигателя цилиндр и поршень поворачиваются вокруг своих продольных осей вследствие вращения шестерен коленчатыми валами, при этом шестерни сцепляются с фиксированным зубчатым кольцом.
Выходной вал может быть простым образом соединен с основанием стакана шестерней, или в альтернативном случае выходной вал может быть оснащен планетарной коробкой передач. В предпочтительном случае в основании стакана шестерней предусмотрено подходящее кольцо подшипника, предназначенное для выходного вала.
Каждое колено каждого коленчатого вала может быть снабжено соответствующим противовесом.
В головке цилиндра выполнены подходящие отверстия (подходящее отверстие), которые во время работы двигателя последовательно совмещаются с соответствующими входами и выходами клапанного блока, причем последовательность указанного совмещения, возникающего при вращении цилиндра, определяется тем, является ли двигатель внутреннего сгорания четырехтактным или двухтактным.
Другие особенности и преимущества данного изобретения становятся более понятными из ознакомления с последующим подробным описанием, изложенным со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения становятся более понятными из его последующего раскрытия, изложенного со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах одинаковые компоненты обозначены одними и теми же номерами позиций, при этом:
фиг.1 изображает боковое сечение заявленного роторного двигателя при нахождении поршня в нижней мертвой точке внутри цилиндра;
фиг.2 дает вид, подобный показанному на фиг.1, но поршень показан в верхней мертвой точке;
фиг.3 в аксонометрии изображает роторный двигатель, показанный на фиг.1 и 2;
фиг.4 изображает поперечное сечение вращающихся частей роторного двигателя при нахождении поршня в нижней мертвой точке;
фиг.5 изображает поперечное сечение двух коленчатых валов при их нахождении в нижней мертвой точке;
фиг.6 изображает поперечное сечение, подобное показанному на фиг.5, но соответствующее альтернативному варианту приводного вала;
Фиг.7 изображает коленчатые валы, шатуны и приводы при нахождении поршня в середине хода в цилиндре;
фиг.8 изображает поперечное сечение, взятое по показанной на фиг.9 линии В-В;
фиг.9 изображает поршень и коленчатые валы с шатунами при нахождении поршня в середине хода в цилиндре;
фиг.10 в аксонометрии изображает поршень и узел коленвалов при нахождении поршня в середине хода;
фиг.11-15 дают детальные виды, иллюстрирующие клапанные средства;
фиг.11 дает вид, выполненный по показанной на фиг.12 линии А-А и изображающий торец головки цилиндра;
фиг.12 изображает узел клапанного блока;
фиг.13 с пространственным разделением деталей изображает клапанные средства и цилиндр;
фиг.14 дает вид, выполненный по показанной на фиг.15 линии С-С, изображающий впускные и выпускные клапанные средства;
фиг.15 изображает заявленный роторный двигатель в собранном состоянии;
фиг.16 в аксонометрии изображает все вращающиеся части двигателя, снабженного планетарной коробкой передач для выходного вала;
и фиг.17 дает вид, подобный показанному на фиг.16, но соответствующий простой конфигурации выходного вала, проиллюстрированной на фиг.6.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Далее изобретение описано более подробно на примере его предпочтительных вариантов выполнения, не ограничивающих объем правовой охраны изобретения и раскрытых со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг.1 и 2 показан заявленный роторный двигатель, обозначенный в целом ссылочным номером 1. Двигатель содержит корпус 22 двигателя или цилиндра, в полости которого размещен поворотный цилиндр 26, снабженный охлаждающими ребрами 85, которые установлены таким образом, что обеспечивают плавность вращательного движения цилиндра 26 внутри упомянутой полости. Цилиндр 26 имеет головку 27, в которой предусмотрено отверстие 28, описанное ниже.
К корпусу 22 цилиндра прикреплен корпус 24 кривошипа с зубчатым кольцом 88, размещенным между ними как показано на чертеже. Корпус кривошипа включает в себя выводное кольцо 31 шарикоподшипника, предназначенное для выводного вала 30.
Конец цилиндра 26, противоположный головке 27, образует каркас 29 стакана шестерней, соединенный с основанием 32 стакана шестерней и с внешним держателем 36 коленчатого вала, причем между каркасом 29, основанием 32 и коленчатыми валами 70, 80 предусмотрены подшипники 44. На фиг.1 и 2 показано, что к основанию 32 стакана шестерней в зоне подшипника 44 присоединена планетарная коробка 40 передач, из которой выходит выводной вал 30, имеющий на своем внутреннем конце зубцы 60, предназначенные для зацепления с шестернями коробки. В других вариантах выполнения (см., например, фиг.6) передача мощности между валом 30 и основанием 33 стакана шестерней осуществляется посредством простого соединения, например механического соединения.
Внутри цилиндра 26, ограничивающего собой камеру 51 сгорания (показана на фиг.1), установлен с возможностью возвратно-поступательного движения поршень 50. Поршень 50 перемещается с двумя шатунами 48, 49, связанными с ним посредством поршневого штифта 52. Шатуны проходят от соответствующих колен или пальцев 45, 47 кривошипа, установленных в двух отдельных, вращающихся в противоположных направлениях коленчатых валах 70, 80. Каждый из валов 70, 80 имеет соответственное коническое зубчатое колесо 10, 12, которое, в свою очередь, входит в зацепление с коническим зубчатым кольцом 88, присоединенным между корпусом 22 цилиндра и корпусом 24 кривошипа. Валы 70, 80 удерживаются в подшипниках 90, 92, установленных в держателе 36 коленчатого вала, и также в подшипниках 44, как более подробно показано на фиг.7 и 8.
Фиг.9 иллюстрирует индивидуальное действие шатунов 48, 49, передающих вращение в противоположных направлениях соответствующим коленчатым валам 70, 80. На этом чертеже поршень двигателя показан в положении середины хода, его шатуны 48, 49 обеспечивают значительное снижение поперечной нагрузки от поршня 50 и стенки цилиндра 26 (на этом чертеже не показан).
На фиг.11-15 изображены три компонента, составляющие клапанные средства двигателя 1. На фиг.11 показана головка 27 цилиндра, выполненная в форме диска, вращающегося вместе с цилиндром 26 при его вращении. Головка имеет отверстие 28, которое попеременно совмещается с соответствующим входным и выходным каналами в неподвижном клапанном блоке 78, расположенном в конце корпуса 22 цилиндра. Клапанный блок 78 содержит по меньшей мере два канала (один входной и один выходной, для двигателя дизельного типа), но обычно три канала (один входной, один выходной и один для зажигания, для двигателя с зажиганием от искры), как показано на чертежах. Хотя данный вариант изобретения относится к четырехтактному двигателю, его можно адаптировать к двухтактному двигателю путем изменения числа отверстий 28.
На фиг.13-15, но более детально на фиг.13, предложенные клапанные средства показаны в разобранном состоянии, и в частности проиллюстрировано общее уплотнение, снабженное кольцами 72, 73, 75 и 76, которые точно совпадают с соответствующими пазами 71, предусмотренными в клапанном блоке 78 и окружающими соответствующие входные и выходные каналы, а также их внутренние и внешние периферические края. Хотя на чертеже это специально не показано, но пазы 71 обычно снабжены внутри себя волнообразными или холмообразными пружинными пластинами, создающими соответствующее давление, обеспечивающее надлежащую и эффективную герметизацию между клапанным блоком 78 и головкой 27. Кроме того, хотя это и не является обязательным, но уплотнения могут иметь вырезы, обеспечивающие эффективную герметизацию внутри пазов 71 блока 78 (проиллюстрировано на фиг.13). Легко понять, что во время использования кольцевые уплотнители входят в контакт с обработанной поверхностью головки 27. На фиг.14 видно, что уплотнительные кольца 72, 73, 75 и 76 расположены эксцентрично относительно головки цилиндра 27, вследствие чего отверстие 28 в головке 27 всегда окружено во время вращения, и уплотнительные кольца не всегда контактируют с той же зоной в головке цилиндра 27.
Во время использования заявленного роторного двигателя 1 к нему подсоединена нагрузка соответствующего типа, потребляющая вращательную мощность. Подача топлива в клапанный блок 78 может быть осуществлена через соответствующий распределитель топлива, например карбюратор, при этом в конструкции может быть предусмотрен искровой воспламенитель (не показан), активирующий зажигание и приводящий вследствие этого поршень 50 в продольное движение внутри цилиндра 26. При этом благодаря давлению поршня на шатуны 48 и 49 коленчатые валы 70 и 80 приводятся в синхронное вращение в противоположных направлениях. Вращение коленчатых валов 70 и 80 заставляет вращаться в противоположных направлениях конические зубчатые колеса 10, 12, в результате чего благодаря зацеплению со статическим коническим зубчатым кольцом 88 поршень 50 и цилиндр 26 вращаются вместе с другими движущимися частями вокруг оси цилиндра (не показана). При этом каркас 29 стакана шестерней и основание 32 стакана шестерней вращают выходной вал 30, передавая крутящий момент на рабочую нагрузку (не показана). Вращение шатунов 48, 49 в противоположных направлениях обеспечивает сбалансированную передачу энергии, которая минимизирует вибрацию, а следовательно, снижает уровень шума. Все компоненты, показанные на фиг.4, 5 и 16, во время работы двигателя 1 вращаются вокруг оси цилиндра, что также справедливо и для варианта, показанного на фиг.6 и 17. Соответственно, раскрытое в настоящем изобретении техническое решение обеспечивает еще одно преимущество, заключающееся в экономии топлива.
Согласно другому варианту изобретения (не показан) уплотнительные кольца 72, 73, 75 и 76 заменены одиночным уплотнительным кольцом, которое точно совпадает с соответствующим пазом, окружающим отверстие 28 в головке и находится в плотном контакте с обработанной поверхностью клапанного блока 28. Такой вариант изобретения содержит меньше частей, и в случае износа уплотнительным кольцом менять приходится только клапанный блок 28, а не головку 27 цилиндра.
Изобретение может быть реализовано и в других конфигурациях, предполагающих использование более одного цилиндра. Однако, как и в случае одиночного цилиндра, также будет наблюдаться сбалансированная нагрузка. Поскольку двигатель имеет модульную структуру, несколько таких модулей можно собрать в одну группу, обеспечивающую необходимую мощность при любых имеющихся обстоятельствах.
Выше описаны конкретные варианты выполнения заявленного роторного двигателя, однако специалистам данной области техники понятно, что в эти варианты могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы правовой охраны настоящего изобретения. В этой связи приведенное описание следует рассматривать как носящее иллюстративный характер, а не как ограничивающее объем патентных притязаний.