Роторный двигатель внутреннего сгорания

Роторный двигатель внутреннего сгорания

Реферат

 

Использование: машиностроение, в частности роторные двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: роторный двигатель внутреннего сгорания имеет два соосных ротора, взаимодействующих между собой и с корпусом с образованием рабочих камер переменного объема, привод роторов, содержащий две передачи с некруглыми колесами, взаимодействующими в зацеплениях попарно, и регулятор, взаимодействующий с промежуточной шлицевой втулкой с винтовыми шлицами, установленной на соосных валах привода, и изменяющий рабочий объем камер путем угловых смещений ротора. Один из роторов выполнен обхватывающим и образует вместе с охватываемым ротором рабочие компрессорные и силовые камеры, взаимодействующие между собой и с органами газораспределения. В приводе другого ротора также имеется промежуточная шлицевая втулка с винтовыми шлицами, а рабочий орган регулятора взаимодействует с обеими промежуточными втулками, подвижными в осевом направлении. Их смещением задают фазовый сдвиг одного и начальное положение другого ротора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам, и может быть использовано преимущественно в двигателестроении.

Известны [1] двухтактные роторные ДВС лопаточного типа, состоящие из компрессорной и силовой секций, которые аналогичны по конструкции и имеют между собой механическую и газовую связи.

К недостаткам известных роторных ДВС относятся большие габариты, сложность четырехроторной конструкции и низкий КПД ввиду снижения коэффициента наполнения из-за большой длины периферийных каналов газоснабжения и дросселирования при регулировании мощности.

Известны [2, 3] четырехтактные роторные ДВС лопаточного типа, у которых в неподвижном полом корпусе установлены соосные охватывающий и охватываемый роторы, вращающиеся в одном направлении при циклически изменяющейся скорости. Однако четырехтактный рабочий цикл не обеспечивает высокую удельную мощность, а традиционный количественный способ регулирования дросселированием снижает КПД.

Известны более экономичные роторные машины с двумя соосными роторами и регулятором производительности, выполненным в виде фазосмесителя, установленного в приводе одного из роторов и изменяющего рабочий объем. Однако применительно к ДВС эта машина имеет низкий КПД при частичных нагрузках, что обусловлено уменьшением степени сжатия, сопутствующего изменению рабочего объема при угловом сечении ротора.

В качестве прототипа, имеющего наибольшее число общих признаков с заявленным роторным ДВС, принята известная роторная машина [4] пригодная для двигателя по принципиальной схеме.

По прототипу роторный ДВС имеет неподвижный полый корпус с окнами впуска и выпуска, роторы, снабженные лопатками, установленные соосно и взаимодействующие лопатками с корпусом с образованием рабочих камер, выходной и промежуточный валы, выполненные шлицевыми и установленные соосно, промежуточную шлицевую втулку, установленную на валах с образованием шлицевых подвижных соединений, из которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами, привод, имеющий две зубчатые передачи, выполненные с некруглыми колесами, взаимодействующими в зацеплениях попарно и соединяющими роторы порознь с выходным и промежуточным валами, регулятор, имеющий рабочий орган, взаимодействующий с промежуточной шлицевой втулкой, и орган управления, снабженный фиксатором положения.

Двигатель на основе прототипа имеет малые значения удельной мощности и КПД, поскольку работает по четырехтактному циклу (нет компрессора) и имеет пониженную степень сжатия на малых нагрузках из-за увеличения объема камеры сгорания при угловом смещении ротора.

Желателен роторный ДВС с высокими мощностными и экономическими показателями и простой по конструкции.

Задача изобретения повышение мощности и КПД и упрощение конструкции.

Задача изобретения решается тем, что ротор, кинематически связанный с промежуточным валом, выполнен охватывающим в виде стакана с дополнительными окнами и перепускными каналами газораспределения и внутренними лопатками, образующими вместе с охватываемым ротором смежные компрессорные и силовые рабочие камеры, циклически открытые через окна газораспределения в окна, соответственно, впуска и выпуска и соединяющиеся между собой через перепускной канал, взаимодействующий с лопаткой охватываемого ротора, в приводе последнего имеются дополнительно шлицевой венец, жестко связанный с ротором, промежуточный шлицевой вал и промежуточная шлицевая втулка, установленная на вале и шлицевом венце соосно ротору с образованием шлицевых подвижных соединений, аналогичных упомянутым, а рабочий орган регулятора взаимодействует с обеими промежуточными втулками.

Рабочий орган регулятора выполнен в виде двуплечего рычага, закрепленного на оси, шарнирно связанной с корпусом, а ось размещена между промежуточными втулками и жестко связана с органом управления.

Указанные отличительные признаки необходимы и достаточны для достижения поставленной цели. Выполнение ротора охватывающим обеспечивает возможности создания компрессорных и силовых рабочих камер, перепуска рабочего тела и оптимизации фаз газораспределения с использованием дополнительных окон и каналов газораспределения, работы ДВС по двухтактному циклу, что служит повышению мощности и КПД. Дополнительное повышение этих параметров обеспечивает повышение степени сжатия, достигаемое угловым сдвигом второго ротора в направлении, обеспечивающем уменьшение объема камеры сгорания за счет осевого смещения промежуточной шлицевой втулки с винтовыми шлицами, установленной между охватываемым ротором и дополнительным промежуточным валом, а применение рычага для синхронного привода двух шлицевых втулок служит оптимизации степени сжатия при изменении нагрузки и дополнительному улучшению показателей. Двухроторная конструкция двухтактного ДВС значительно проще четырехроторной.

Проведенный анализ показал, что заявленное изобретение не известно из уровня техники и относится к новым.

Изобретение имеет изобретательский уровень. К числу абсолютно новых отличительных признаков относятся дополнительные шлицевые промежуточные вал и втулка, размещение втулки между ротором и зубчатой передачей. Причем эффективность этих дополнительных элементов неочевидна, хотя и связана с поворотом ротора, присутствующим у прототипа. В отличие от прототипа, осевое смещение дополнительной промежуточной втулки приближает лопатку охватываемого ротора к лопатке охватывающего ротора в силовой камере и, соответственно, удаляет в компрессорной камере при сохранении относительного расположения циклов изменения скоростей движения роторов и рабочего объема. Но при этом не только уменьшается объем камеры сгорания и возрастает степень сжатия, но увеличивается вредный объем компрессорной камеры и уменьшается коэффициент продувки. В результате получается ДВС с переменной степенью сжатия с возрастанием ее величины по мере уменьшения нагрузки, что так трудно достигается в поршневых ДВС на основе КШМ, например, использованием поршня с гидравлически управляемой подвижной головкой и дополнительным способом влияния на наполнение.

Совокупность других признаков вместе с новыми служит реализации идей создания роторного ДВС с высокими показателями по рабочему процессу, а по надежности и ресурсу он предпочтительнее Ванкеля ввиду работы уплотнений по поверхности неизменной кривизны.

Изобретение практически применимо преимущественно в автомобильном двигателестроении, но может применяться в компрессоростроении при создании компрессоров регулируемых с высоким КПД, необходимых для различных отраслей народного хозяйства.

На фиг.1 изображен продольный разрез роторного ДВС; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 сечение В-В на фиг.1; на фиг.5 приведены графически изображенные зависимости углов поворота роторов и объема силовой рабочей камеры от угла поворота выходного вала при сопоставлении результатов регулирования заявленного ДВС и прототипа.

Роторный ДВС (фиг.1) содержит неподвижный корпус 1, выполненный полым с окнами 2 впуска и окнами 3 выпуска. Окна соединены с трубопроводами системы впуска и выпуска. В корпусе установлены соосно охватывающий 3 и охватываемый 5 роторы, выполненные (предпочтительно) из металлокерамики.

Охватываемый ротор снабжен наружными лопатками 6. Охватывающий ротор выполнен в виде стакана, имеет внутренние лопатки 7, дополнительные окна 8 и 9, расположенные в донной части и взаимодействующие с окнами 2 и 3 корпуса, и каналы 10, расположенные на внутренней цилиндрической поверхности, прилежащей к лопаткам 7. Роторы, взаимодействуя с корпусом торцовыми поверхностями лопаток 6, 7, образуют компрессорные 11 и силовые 12 рабочие камеры (фиг. 2), смежные между собой. Рабочие камеры циклически открыты через окна 8, 9 в окна 2 впуска и окна 3 выпуска порознь и циклически соединяются между собой через канал 10, который становится перепускным каналом при взаимодействии с лопаткой 6 охватываемого ротора.

Возможно размещение одноименных рабочих камер в диаметрально противоположных секторах, но это ведет к увеличению неравномерности крутящего момента и хода двигателя.

Роторный двигатель также имеет выходной 13, промежуточный 14 валы, выполненные со шлицами 15, 16 и установленные соосно, промежуточную шлицевую втулку 17, установленную на валах с образованием шлицевых подвижных соединений, из которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами (в примере шлицы 15 и взаимодействующие с ними шлицы втулки 17 винтовые), и зубчатую передачу, имеющую некруглые (фиг.3) колеса 18, 19, взаимодействующие между собой в зацеплении и соединяющие охватывающий ротор с промежуточным валом 14. С охватываемым ротором 5 жестко связан шлицевой венец 20 с винтовыми зубьями и соосный ротору. Дополнительные промежуточный вал 21 и промежуточная шлицевая втулка 22, установленная на вале 21 и венце 20 аналогично втулке 17, т.е. с образованием шлицевых подвижных соединений, из которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами, также соосны ротору. Зубчатая передача, имеющая некруглые колеса 23, 24, находящиеся между собой в зацеплении, соединяет дополнительный промежуточный вал 21 с выходным валом. Каждое из зубчатых колес имеет (не показано) закрепленную на диске дополнительную массу, обеспечивающую динамическую уравновешенность привода.

Роторный ДВС имеет также регулятор, который состоит из рабочего органа 25, выполненного в виде двуплечего рычага с осью 26 (фиг.4) и ее шарнирами, размещенными между осями шлицевых втулок 17, 22, взаимодействующего с этими втулками, и органа управления 27, который снабжен фиксатором положения 28, выполненным в виде зубчатого сектора и закрепленным на корпусе, и через ось 26 жестко связан с рабочим органом 25. Применение винтовой пары, имеющейся в регуляторе машины-прототипа, возможно, но не целесообразно из-за снижения скорости управляющих воздействий.

В торцовой стенке корпуса установлены источники воспламенения 29, выполненные в виде свечи зажигания в ДВС с принудительным зажиганием и в виде форсунки для впрыскивания топлива в дизеле, ориентированные на взаимодействие с силовыми рабочими камерами. ДВС имеет необходимые для работы устройства воздухоснабжения, топливоподачи, воспламенения, отвода отработавших газов, охлаждения и смазывания, аналогичные применяемым на роторных ДВС. В частности, для смазывания поверхностей трения роторов в рабочих камерах применяется масло, добавляемое к топливу в отношении 1:500.

Роторный ДВС работает следующим образом.

Давление газов в рабочих камерах 11, 12 (фиг.1, 2) действует на лопатки 6 охватываемого 5 и лопатки 7 охватывающего 4 роторов и создает равные по величине и противоположные по знаку моменты газовых сил, приложенные к роторам. Из-за некруглости зубчатых колес 18, 19 и 23, 24 и угловых смещений между соосными колесами (фиг.1 и 3) заданных установкой, радиусы зацепления колес 18 и 24 не одинаковы, а из передаваемых через них моментов больше будет тот, который образован при большем радиусе зацепления. Мгновенное значение суммы моментов, приложенных к роторам, равно нулю в любой момент рабочего процесса, но сумма моментов, действующая на выходной вал 13, циклически изменяется. Изменение уровня давления в силовых рабочих камерах в процессе расширения продуктов сгорания относительно давления в процессе сжатия рабочего тела приводит к образованию за цикл положительного суммарного момента, который вызывает относительно равномерное вращение выходного вала. При этом средние скорости вращения роторов и выходного вала одинаковы, а вращение роторов, всегда однонаправленное, происходит с циклическими изменениями скорости при относительном сдвиге фаз циклов. В результате изменяются синхронно объемы компрессорных и силовых рабочих камер, и в каждой камере совершается свой рабочий цикл. При увеличении объема компрессорной камеры 11 взаимодействуют между собой окна 8 и 2 и происходит впуск. Одновременно в диаметрально противоположной силовой камере 12 происходит сжатие, в конце которого действует источник воспламенения 29, и начинается сгорание. Затем в камерах 12 и 11 происходят, соответственно, рабочий ход и сжатие, причем в конце рабочего хода взаимодействуют окна 9 и 3, обеспечивая выпуск, и лопатка 6 с каналом 10, обеспечивая перепуск заряда из камеры 1 и продувку камеры 12. За оборот входного вала совершаются по два компрессорных и силовых цикла, что служит повышению равномерности хода, увеличению удельной мощности.

Для регулирования мощности орган управления 27 освобождают временно от действия фиксатора положения 28 и поворачивают вокруг оси 26 вместе с нею и закрепленным на ней двуплечим рычагом 25. Поворот вызывает осевые смещения промежуточных шлицевых втулок 17, 22. Поскольку одно из шлицевых соединений каждой втулки выполнено с винтовыми шлицами 15 и 20, смещение втулок задает угловые смещения элементам, кинематически связанным с выходным валом через втулки: втулка 17 смещает вал 14, пару зубчатых колес 18, 19 и охватывающий ротор 4, а втулка 22 охватываемый ротор 5 при неизменном фазовом положении промежуточного вала 21 (см. фиг.5).

Указанные отличия заданных смещений являются причиной различных результатов регулирования. Втулка 17 задает фазовый сдвиг охватывающему ротору и изменение рабочих объемов компрессорной и силовой камер при соответствующих изменениях мертвого объема и объема камеры сжатия. Причем при уменьшении мощности уменьшением рабочего объема объемы мертвый и камеры сжатия возрастают, а степень сжатия уменьшается. При полной синхронизации вращения роторов рабочие объемы нулевые. Втулка 22 задает начальное положение охватываемому ротору, не изменяя фазы движения, и потому влияет на степень сближения лопаток разноименных роторов при экстремальных положениях, на величину степени сжатия. Результатом совместных действий на относительное положение роторов является увеличение степени сжатия ДВС по мере уменьшения нагрузки, улучшение условий сгорания и повышение КПД.

Дополнительными факторами, повышающими КПД, являются оптимизация фаз газораспределения при изменении нагрузки, что позволяют дополнительные окна впуска и выпуска охватывающего ротора, надежность работы источника воспламенения, обеспеченная за счет его размещения в корпусе 1 на поверхности, не перекрываемой днищем ротора 4 и потому хорошо обдуваемой, увеличением длительности процесса сгорания в фазе, протекающей при минимальном объеме камеры сгорания, оптимизация температуры стенок роторов по условиям быстрого и полного сгорания обедненной рабочей смеси, достигаемая, например, за счет использования деталей из металлокерамики, размещения охватывающего ротора в охлаждающей масляной ванне, размещенной в корпусе. Особо следует выделить возможность расслоения заряда в силовой рабочей камере за счет впрыскивания топлива, оптимизации размещения каналов 10.

Шлицы 16 промежуточного вала и сопряженные с ними шлицы втулки 17 работают как в обычной компенсационной шлицевой муфте с промежуточным звеном, но могут быть винтовыми и использоваться для оптимизации смещений роторов при регулировании. Применение рычажного регулятора проще, легче и быстрее, что имеет важное значение для ДВС.

Заявленный ДВС имеет в одном корпусе силовые и компрессорные рабочие камеры, разделенные лопатками двустороннего действия и, подобно двухтактному поршневому двигателю с кривошипно-камерной продувкой, относится к числу наиболее простых и компактных силовых установок. Причем для преобразования прототипа в такой ДВС достаточны дополнительные окна в стенке стакана и перепускной канал, обеспечивающие золотниковое газораспределение, а для повышения эффективности простейший регулятор-фазосмеситель, выполненный на основе шлицевой компенсационной муфты с промежуточным звеном, и рычажный механизм управления. Это предопределяет достижение цели по упрощению конструкции.

Роторный ДВС с соосными роторами имеет уплотнения, работающие по поверхностям неизменной кривизны (цилиндр, плоскость) и потому более надежные и долговечные, чем, например, у ДВС типа Ванкеля. Поэтому конструкция элементов уплотнения может быть более простой. Также просто решаются вопросы уравновешивания, поскольку основные элементы роторы, уравновешены. Дополнительный эффект по упрощению конструкции предполагается в системах воздухоснабжения, топливоподачи и зажигания, взаимосвязанных с используемым принципом регулирования.

Изложенное дает представления о преимуществах заявленного роторного ДВС перед прототипом и аналогами и о перспективах приращения преимуществ на основе улучшения рабочего процесса и конструкции. Есть основания ожидать, что по удельной мощности заявленный ДВС превзойдет известные РПД, по топливной экономичности и токсичности отработавших газов он приблизится к дизелю, а по простоте конструкции, надежности и ресурсу не будет иметь себе равных. Поэтому он найдет широкое применение в двигателестроении, в первую очередь автомобильном и мотоциклетном, как в нашей стране, так и за рубежом.

Учитывая, что механизмы преобразования движения ДВС, компрессоров, насосов, гидродвигателей и пневмодвигателей объемного типа с поршнями (лопатками) двустороннего действия однотипны, а регулятор с двумя фазосмесителями роторов влияет на объемный коэффициент полезного действия, считаем целесообразным применение заявленной роторной машины в качестве основы для гидромашин различного назначения.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный полый корпус с окнами впуска и выпуска, роторы, снабженные лопатками, установленные соосно и взаимодействующие лопатками с корпусом с образованием рабочих камер, выходной и промежуточный валы, выполненные шлицевыми и установленные соосно, промежуточную шлицевую втулку, установленную на валах с образованием шлицевых подвижных соединений, на которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами, привод, имеющий две зубчатые передачи, выполненные с некруглыми колесами, взаимодействующими в зацеплениях попарно и соединяющими роторы порознь с выходным и промежуточным валами, регулятор, имеющий рабочий орган, взаимодействующий с промежуточной шлицевой втулкой, и орган управления, снабженный фиксатором положения, отличающийся тем, что ротор, кинематически связанный с промежуточным валом, выполнен охватывающим в виде стакана с дополнительными окнами и перепускными каналами газораспределения и внутренними лопатками, образующими вместе с охватываемым ротором смежные компрессорные и силовые рабочие камеры, циклически открытые через окна газораспределения в окна соответственно впуска и выпуска и соединяющиеся между собой через перепускной канал, взаимодействующий с лопаткой охватываемого ротора, в приводе последнего имеются дополнительно шлицевой венец, жестко связанный с ротором, промежуточный шлицевой вал и промежуточная шлицевая втулка, установленная на валу и шлицевом венце соосно ротору с образованием шлицевых подвижных соединений, аналогичных упомянутым, а рабочий орган регулятора взаимодействует с обеими промежуточными шлицевыми втулками.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий орган регулятора выполнен в виде двуплечего рычага, закрепленного на оси, шарнирно связанной с корпусом, а ось размещена между промежуточными шлицевыми втулками и жестко связана с органом управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5