Двотактний опозитний радіальний роторно-поршневий двигун

Реферат: Двотактний опозитний роторно-поршневий двигун містить блок циліндрів, що має гільзу і два поршні, розташовані в ній з можливістю ковзання, що переміщаються в протилежних напрямах, створюючи спільну камера згорання і перший зазор з бічними стінками гільзи; причому ротор має поверхню, що описується еліпсом або лінією Кассіні; поперечини, прикріплені до поршнів; ролики, прикріплені до поперечин і пружинами притискувані до ротора; масляні трубки з кінцевими втулками; засоби подачі і відведення масла; два плунжери, розташовані в кожній трубці, створюючи другий зазор з бічними стінками трубки, істотно менший першого зазору. Плунжери прикріплені до поперечини і можуть переміщатися в протилежних напрямах, включаючи крізні канали, причому обернені назовні поверхні утворюють з втулками зовнішні простори, а обернені усередину поверхні утворюють з бічними стінками трубки внутрішній простір, що сполучається із засобами подачі і відведення масла. Засоби зливу масла двигуна сполучають зовнішні простори із засобами подачі масла. Двигун поглинає бічні сили і сили інерції, є ефективнішим і чистішим. UA 99472 C2 (12) UA 99472 C2 UA 99472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Дана заявка заявляє пріоритет, зарезервований попередньою заявкою на патент США № 60/881208, поданою 19 січня 2007 року, і не попередньою заявкою на патент США № 11/827595, поданою 12 липня 2007 року, описи з яких повністю посиланням включаються в даний опис. Винахід відноситься до опозитних радіальних роторно-поршневих двигунів, які можуть використовуватися в дорожніх транспортних засобах, водних транспортних засобах, повітряних суднах, в комбінаціях з генераторами і так далі. Відомо декілька конструкцій відцентрово-поршневих або роторно-поршневих двигунів (далі по тексту іменованих РПД), призначених для усунення певних недоліків звичайних поршневих двигунів. Наприклад, такі конструкції описані в документах DE3907307, US6279518, WO2005098202, RU2143572, JP7U3452. Останній, наприклад, має за мету "подавити бічний тиск, що прикладається до поршня, підвищити к.к.д., зменшити вібрацію і значно зменшити розміри і масу шляхом обертання кулачка на внутрішній стінці еліпса без використання кривошипа в зворотно-поступальному русі". Решта вищезазначених конструкцій типово має аналогічні цілі. У документі DE3907307 описується чотиритактний двигун, в якому блок циліндрів обертається усередині ротора, який має складну конструкцію, малий ресурс системи клапанів, і дисбаланс з системою, що обертається, включаючи рухомі частини. У документі US6279518 описується чотиритактний двигун, що має систему клапанів і ротор конічної форми з еліптичною канавкою і декілька штовханів поршня в цій канавці. Це компонент складної конструкції із значними втратами на тертя, що має обмежений ресурс роботи його навантажених деталей. Ця конструкція не виключає бічні сили, що прикладаються поршнем на стінки циліндра. У документі RU 2143572 описується чотиритактний двигун, в якому блок циліндрів обертається по еліптичній траєкторії, а впускна/випускна система містить клапан, що обертається. Ця конструкція є складною і насилу піддається балансуванню (що визнається її автором). Поршень діє через свій шток і підшипник ковзання на еліптичний корпус. Місце контакту з корпусом зазнає високе тертя і нагрів, і, отже, матиме малий ресурс роботи. З погляду авторів даного винаходу, більше вдосконалена конструкція РПД представлена в документі US6161508. У ньому описується "радіально-поршневий двигун роторного типу виду, що має систему клапанів, що містить дискові кільця з отворами, розташовані з можливістю ковзання друг по другу, причому одне із зазначених кілець є нерухливим, а інше розташоване таким чином, щоб брати участь в обертовому русі ротора. Відносне відкриття клапанів визначається ручними кутовими положеннями дисків. Відповідно до винаходу, упорскування палива відбувається за допомогою сопла, що впорскує, розташованого в нерухливому диску. Клапанне кільце виконане з наскрізним отвором, що у відповідь на положення, прийняте ротором у момент запалення палива утворить відкритий засіб сполучення між соплом, що впорскує, і камерою згоряння". Проте і цей двигун володіє деякими недоліками. Він побудований як чотиритактний двигун, що має блок циліндрів, що обертається відносно ротора і приводить його в рух. Сили реакції, що створюються в опорних підшипниках, вельми суттєві, що обумовлює малий ресурс роботи. У нім використовується впускна / випускна система, заснована на золотнику, що обертається. Це обумовлює необхідність використання складних засобів ущільнювачів, які, як правило, мають дуже обмежений ресурс роботи (зазвичай максимум 100 годин). Блок циліндрів, що обертається, з поршнями, що здійснюють лінійний зворотнопоступальний рух дуже важко зрівноважити, і, як наслідок, висока вірогідність сильних руйнівних вібрацій. Ці проблеми успішно вирішені в даному винаході. У пропонованому РПД використовується згаданий нетиповий вид перетворення обертального руху ротора в поступальний лінійний хід поршня і навпаки. Це конструктивне рішення забезпечує істотне поглинання бічних сил, що прикладаються поршнем на стінки циліндра двигуна, і навпаки, і істотне зниження маси і поліпшення співвідношень витрата палива/вихідна потужність, демонструючи переваги над всіма використовуваними в даний час двигунами, відомими авторам даного винаходу, включаючи роторний двигун внутрішнього згорання Ванкеля. Найбільш важливими перевагами винаходу є простота конструкції, мала маса, великий ресурс роботи (приблизно більше 1 000 000 км), мала витрата палива й високий вихідний крутний момент, низький рівень викидів забруднюючих речовин (екологічно прийнятний двигун). Маса двигуна (без прикріплених пристроїв) приблизно рівна 30 кг Робочий об'єм циліндрів 3 складає 500 см , вихідна потужність - 250 к.с. У більш потужному варіанті власна маса двигуна 1 UA 99472 C2 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 оцінюється в 65 кг (без прикріплених пристроїв), робочий об'єм циліндрів складає 1000 см , а вихідна потужність - 500 к.с. Описувані двигуни можуть використовуватися в різних випадках застосування, наприклад, для спільної роботи з генераторами, двигуни дорожніх і водних транспортних засобів, і здатні успішно конкурувати з традиційними двигунами внутрішнього згорання. Конструктивні рішення, втілені в системах змащування і охолоджування двигуна, дозволяють експлуатувати двигун при частоті обертання 12000-15000 об/хв., що може забезпечити ефективне застосування двигуна для гоночних автомобілів. Конструкція, що описується в даному розкритті, дозволяє розробляти двигуни, що працюють на бензині або природному газі, а також дизелі, що використовують принципи даного винаходу. Пропонований РПД має робочу поверхню ротора, що описується замкнутою симетричною 2 2 2 2 еліптичною лінією (х /а )+(у /b )=1 або лінією (овалом) Кассині, яку можна описати формулою: 2 2 2 2 2 4 4 (х +у )-2с (х -у )=а -с , де „x‟ і „y‟ -двовимірні координати, а „а‟ і „b‟ - заздалегідь визначені коефіцієнти. У даному розкритті описується двотактний опозитний роторно-поршневий двигун, який містить блок циліндрів, що має гільзу і два поршні, розташовані в ній з можливістю ковзання і що переміщаються в протилежних напрямах, причому поршні утворюють спільну камеру згорання, розташовану між їх головками і утворюють перший зазор з бічними стінками гільзи; причому ротор має поверхню, що описується еліпсом або лінією Кассині; поперечини, прикріплені до поршнів; ролики, прикріплені до поперечини і пружинами притискувані до ротора; масляні трубки з кінцевими втулками; засоби подачі і відведення масла; два плунжери, розташовані в кожній трубці, створюючі другий зазор з бічними стінками трубки, значно менший першого зазору. Плунжери прикріплені до поперечини і можуть переміщатися в протилежних напрямах, включаючи також крізні канали, що дроселюють, причому обернені назовні поверхні утворюють з втулками зовнішні простори, і обернені усередину поверхні утворюють з бічними стінками трубки внутрішній простір, причому цей внутрішній простір сполучається із засобами подачі масла і засобами відведення масла. Засоби зливу масла двигуна сполучаюсь зовнішні простори із засобами подачі масла. Двигун поглинає бічні сили і сили інерції, є ефективнішим і чистішим. Фіг. 1а ілюструє загальний вигляд попереду зібраного двигуна відповідно до одного переважного варіанта здійснення даного винаходу. Фіг. 1b ілюструє вигляд збоку в розрізі двигуна у верхній "мертвій точці" ротора і показує основні вузли і деталі конструкції двигуна відповідно до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 2а загальний вигляд спереду зібраного двигуна у відповідності до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 2b ілюструє вигляд збоку в розрізі двигуна в нижній "мертвій точці" ротора і показує основні вузли і деталі конструкції двигуна відповідно до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Фsг. 3а ілюструє загальний вигляд збоку зібраного двигуна у відповідності до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 3b ілюструє вигляд спереду в розрізі двигуна, показуючи конструкцію плунжерів, трубки плунжерів і інші основні вузли і деталі конструкції двигуна відповідно до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 4а ілюструє розріз трубок плунжерів і плунжерів в нижній мертвій точці двигуна відповідно до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 4b ілюструє розріз трубок плунжерів і плунжерів у верхній мертвій точці двигуна відповідно до одного переважного варіанту здійснення даного винаходу. Подібними позиціями на кресленнях зазвичай позначені одні і ті ж або подібні елементи на різних фігурах. Перший раз згадувана позиція в описі поміщена в дужки. Хоча даний винахід може бути втілено в різних видах, на фігурах показаний і далі детально описується конкретний варіант здійснення даного винаходу. Проте слід розуміти, що справжнє розкриття слід розглядати як пояснення прикладом принципів винаходу, і що воно не призначене для обмеження об'єму винаходу тим, що проілюстроване і описане в даному розкритті. Один варіант здійснення пропонованого двигуна, що працює на бензині, показаний на Фіг. 1a, 1b, 2а, 2b, 3а і 3b. Двигун містить нерухомий блок циліндрів (1), жорстко встановлений, наприклад, на транспортному засобі, гільзу (2) циліндричної форми, встановлену в блоці 1; два що переміщаються в протилежних напрямах циліндричних поршня (3), посаджених в муфті 2 з 2 UA 99472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ковзаючою посадкою. У одному переважному варіанті здійснення перший зазор між поршнем 3 і бічними стінками гільзи 2 виконаний розміром приблизно 50 мікрометрів. Опозитні поршні 3 кожен має нижню головку. Поверхні нижніх головок і частина бічних стінок гільзи 2 (між нижніми головками) разом утворюють спільну робочу камеру і спільну камеру згорання. Блок 1 містить опорний підшипник (переважно, шарикопідшипник). У блоці 1 встановлені свічка запалення (16) і форсунка (17). Блок 1 і гільза 2 містять впускний отвір (12) і випускний отвір (13), переважно виконані в них фрезеруванням, призначені для подачі повітря і вихлопу продуктів згорання відповідно. Повітря подається від наддувочного повітряного компресора (14), в цьому варіанті здійснення такого, що механічно приводиться двигуном. У інших варіантах здійснення він може приводитися іншими засобами. Компресор 14 підключений до впускного отвору 12. Двигун містить дві вилкоподібні поперечини (4), причому кожна з вищезгаданих поперечин 4 сполучена з одним з поршнів 3 за допомогою стопорних гайок з внутрішнім різьбленням, що накручується на зовнішнє різьблення поперечини. Різьбове з'єднання дозволяє в процесі збірки регулювати ступінь стиснення в межах від 8 до 11. Двигун містить опорні ролики (5), призначені для передачі сил з поршнів 3 і поперечин 4, причому ролики 5 встановлені на поперечинах 4 за допомогою штифтів (не показані). Двигун містить нерухомий корпус (11), жорстко встановлений, наприклад, на транспортному засобі. Корпус 11 містить опорний підшипник (10) (переважно, шарикопідшипник). На Фіг. 1a, 1b, 2а, 2b, корпус 11 умовно показаний розташованим вертикально, хоча насправді він зазвичай розташований горизонтально. Корпус 11 заповнений маслом для мастила і інших цілей, як описано далі в даному розкритті. Двигун містить ротор (8), що має замкнуту внутрішню робочу поверхню, що описується заздалегідь визначеною кривою лінією, наприклад, замкнутою симетричною еліптичною лінією або лінією Кассині, згаданими вище. Ротор 8 встановлений на опорному підшипнику, встановленому в корпусі 11 і на опорному підшипнику, встановленому в блоці циліндрів 1. Двигун містить вал відбору потужності (9), що обертається, встановлений щонайменше на одному опорному підшипнику 10. Вал 9 прикріплений до ротора 8. Крутний момент ротора 8 передається на вал 9 і може далі передаватися на трансмісію. Поперечини 4 взаємодіють з пружинами (7), які притискують опорні ролики 5 до ротора 8, забезпечуючи м'яке, ненапружене зачеплення при пуску двигуна. Як показано на Фіг. 4а і 4b, двигун містить канал подачі масла (19) низького тиску зі встановленим в ньому реверсивним клапаном (не показаний), і канал відведення масла (20) високого тиску зі встановленими в нім реверсивним клапаном і клапаном зниження тиску (обидва не показані). Канали 19 і 20 з'єднуються з корпусом 11 і використовуються, щонайменше, для змащування двигуна і інших цілей, що описуються нижче. Двигун містить масляний насос, показаний на Фіг. 3b, 4а, 4b, що має дві секції, кожна з яких містить трубку (15) і два опозитних плунжера (6), посаджених в кожній трубці 15 з ковзаючою посадкою. Кожен плунжер 6 має поршневу частину і штокову частину. Штокові частини плунжерів 6 прикріплені до поперечини 4 (як показано на Фіг. 3b) за допомогою штифтів (не показані). У переважному варіанті здійснення другий зазор між трубкою 15 насоса і плунжерами 6 виконаний розміром приблизно 2-4 мікрометри, тобто, істотно менше першого зазору. Трубка 15 має масловсмоктувальний впускний канал, підключений до каналу подачі масла 19, випускний канал масла, підключений до каналу відведення масла 20, причому вказані впускний і випускний канали висвердлені в трубках насоса, як показано на Фіг. 4а і 4b. Масляний насос містить направляючі втулки (18), приєднані до обох кінців кожної трубки 15, як показано на Фіг. 4а. Втулки 18 служать для закривання трубки 15 на її кінцях і спрямовування лінійного переміщення штокової частини плунжера 6. На Фіг. 4а і 4b показані: обернені усередину поверхні (D) головок поршневих частин плунжерів 6 усередині трубки 15, причому ці дві поверхні D звернені одна до одної; обернені назовні поверхні (С) поршневих частин плунжерів 6, звернені до втулок 18; внутрішній простір (А), утворений між оберненими усередину поверхнями D і внутрішніми бічними стінками трубки 15; зовнішні простори (В), утворені між оберненими назовні поверхнями С, бічними стінками штокової частини і внутрішніми бічними стінками втулок 18. Масляний насос містить дві трубки зливу масла (21), кожна з яких сполучає зовнішні простори В з масловсмоктувальним впускним каналом (Фіг. 4а і 4b). Кожен плунжер 6 містить крізний канал (22), що дроселює, висвердлений переважно уздовж подовжньої осі плунжера 6 із заздалегідь визначеним малим діаметром для забезпечення необхідного опору поперечному потоку масла по ньому. Мета виконання каналу 22 - запобігти 3 UA 99472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 руйнуванню пристрою від гідравлічного удару при його експлуатації. Канал 22 має перпендикулярну крізну частину, яка може сполучати канал 22 з простором В. Плунжери 6 виконують в двигуні декілька важливих функцій. Перша функція - перекачування масла, яка є регулярною змащувальною функцією, звичайною для будь-якого масляного насоса. Друга функція плунжерів 6 - поглинання бічних сил, що викликаються взаємодією між роликами 5 і ротором 8. Оскільки зазор між гільзою 2 і поршнем З істотно більше, ніж зазор між трубкою 15 насоса і плунжером 6 (50 мікрометрів проти 2-4 мікрометрів відповідно), плунжер 6 поглинає вищезазначені бічні сили. Третя функція плунжерів 6 - забезпечення паралельного переміщення поршнів 3 в гільзі 2 унаслідок поглинання вищезазначених бічних сил. Четверта функція плунжерів 6 - забезпечення заданого об'єму камери згорання і поглинання сил інерції, що розвиваються поршнями 3 і, по суті, що прикладаються до ротора 8. Це досягається завдяки дії плунжерів 6 як "гідрозатворних" клапанів в гідравлічній системі у верхній і нижній мертвих точках ходу поршня. Фіг. 1b ілюструє положення поршнів 3 з поперечиною 4, що знаходяться верхній мертвій точці, в яких спільна камера згорання утворюється головками поршнів і відповідною частиною внутрішніх бічних стінок гільзи (верхня мертва точка відповідає мінімальному об'єму спільної камери згорання). У цих положеннях свічка запалення 16 створює іскру, яка запалює паливноповітряну суміш в камері згорання, що викликає переміщення поршнів 3 з поперечиною 4 в протилежних напрямах. Ролики 5 притискують внутрішню криволінійну робочу поверхню ротора, викликаючи обертання ротора 8, який обертає вал відбору потужності 9. При подальшому ході поршнів 3 до 90-градусного повороту ротора 8 (нижня мертва крапка відповідає максимальному об'єму спільної камери згоряння, показаному на Фіг. 2b) впускний отвір 12 і випускний отвір 13 відкриваються, що дозволяє продути продукти згоряння й заповнити гільзу 2 циліндри порцією свіжого повітря, що подається компресором 14. При повороті на наступні 90 градусів (не показано) ротор 8 обертається за інерцією, штовхаючи поршні 3 через ролики 5 і поперечина 4, що приводить до переміщення поршнів в напрямі один одного до верхньої мертвої точки отже, стисненням повітря в гільзі 2. Після того, як поршні 5 проходять впускний отвір 12 і випускний отвір 13, частина палива уприсується у камеру згорання через форсунку 17. Суміш палива і повітря інтенсивно перемішується в камері до положення верхньої мертвої точки поршнів 3 (показаного на Фіг. 1b). При завершенні повороту ротора 8 на 180 градусів, в камері згорання створюється наступна іскра, і вищеописаний двотактний цикл повторюється. Таким чином, двотактний цикл здійснюється за поворот валу відбору потужності на 180 градусів, тоді як в традиційному поршневому двигуні внутрішнього згорання і всіх вищезазначених відомих двигунах двотактний цикл здійснюється за поворот на 360 градусів. Це подвоює частоту циклів двигуна, що дає в результаті підвищення його потужності. При роботі двигуна відбуваються паралельні процеси в масляних трубках 15 і плунжерах 6. У той час коли поршні 3 переміщаються в нижню мертву точку, масло всмоктується з корпусу 11 в канал подачі масла 19 і по масловсмоктувальному впускному каналу в простір А, що розширюється, трубки 15 (Фіг. 4а). Одночасно з цим масло з простору В викидається в трубки зливу масла 21 за допомогою обернених усередину поверхонь С. Після того, як поверхні С пройдуть трубки зливу масла 21, вони закриються поршневими частинами плунжерів 6, і масло, що залишилося в просторах В, запобіжить подальшому переміщенню плунжерів 6 і, таким чином, запобіжить переміщенню поршнів 3, пов'язаних з плунжерами 6 через поперечину 4. Ця ситуація відома як "гідравлічний затвор" в просторі В, і вона викликає нижню мертву точку двигуна. Вищезазначені канали 22, що дроселюють, запобігають руйнуванню плунжерів і інших механізмів, пов'язаних з ними, від гідравлічного удару, що відбувається при різкій зупинці плунжерів 6, викликаною гідравлічним затвором. Під час зворотного переміщення плунжерів 6 простір А стискається (Фіг. 4b), і масло з нього поверхнями D викидається в канал відведення масла 20 через канал випуску масла. Після того поверхня D проходить масловсмоктувальний впускний канал, масло, що залишилося в просторі А, замикається і утворює гідравлічний затвор в просторі А, який визначає положення верхньої мертвої точки двигуна. За рахунок відсутності колінчастого валу бічні сили, що виникають в колінчастому валу, і інерційні навантаження, що викликаються обертанням колінчастого валу, практично виключені. Це знижує втрати на тертя приблизно на 50 % і, відповідно, знижує витрату палива і економить кількість палива, необхідну для покриття втрат на тертя. Паливна економічність двигуна 4 UA 99472 C2 призводить до зниження викидів забруднюючих речовин, що робить пропонований двигун екологічно прийнятним. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 1. Двотактний опозитний радіальний роторно-поршневий двигун, що містить нерухомий корпус; нерухомий блок циліндрів, зібраний з корпусом, причому блок містить гільзу циліндричної форми, що має внутрішні бічні стінки, і два циліндричні поршні, кожен з яких має нижню головку, звернену до іншої головки, причому поршні розташовані в гільзі з можливістю ковзання таким чином, що між внутрішніми бічними стінками гільзи і поршнями утворюється перший зазор заданого розміру, причому поршні переміщаються в протилежних напрямах щодо один одного таким чином, що нижніми головками і внутрішніми бічними стінками гільзи утворюються спільна робоча камера і спільна камера згорання; ротор, що має замкнуту внутрішню робочу поверхню, що описується заздалегідь визначеною кривою лінією, причому ротор підтримується з можливістю обертання практично корпусом і блоком циліндрів; дві поперечини, кожна прикріплена до одного з поршнів; декілька опорних роликів, прикріплених до кожної з поперечин, причому ролики пружинами притискаються до ротора; дві нерухомі трубки масляного насоса, причому трубки закриті з обох кінців направляючими втулками, які як і трубки мають внутрішні бічні стінки; засоби подачі масла, щонайменше для подачі масла у трубки; засоби відводу масла, щонайменше для відведення масла з трубок; два плунжери, з можливістю ковзання розташовані в кожній з трубок таким чином, що між плунжерами і внутрішніми бічними стінками трубки утворюється другий зазор заданого розміру, причому розмір першого зазору істотно більше розміру другого зазору, причому плунжери, що направляються направляючими втулками, прикріплені до поперечини і переміщаються в протилежних напрямах щодо один одного, причому плунжери, кожен, мають подовжній крізний канал, що дроселює, і обернену назовні поверхню, причому внутрішні бічні стінки втулок і обернені назовні поверхні по суті утворюють два зовнішні простори, причому плунжери, кожен, мають обернену усередину поверхню, причому обернені усередину поверхні і внутрішні бічні стінки трубки утворюють внутрішній простір, причому внутрішній простір сполучається з засобами подачі масла і засобами відводу масла; і засоби зливу масла для сполучення зовнішніх просторів з засобами подачі масла. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що заздалегідь визначена крива лінія є замкнутою симетричною еліптичною лінією або лінією Кассіні. 3. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що заданий розмір першого зазору рівний практично 50 мікрометрів, а заданий розмір другого зазору вибраний в межах 2-4 мікрометрів. 5 UA 99472 C2 6 UA 99472 C2 7 UA 99472 C2 8 UA 99472 C2 Комп‟ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9