Роторно-поршнева машина з уповільненням, зависанням, зупинкою, прискоренням та зворотним ходом поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала за ярошенком е.в.

Реферат: Винахід належить до роторно-поршневих машин. Машина містить корпус із циліндричною порожниною, у якій знаходиться вихідний вал, жорстко пов'язаний з ротором, що має циліндри й поршні, які створюють кінематичні пари "циліндр-поршень" і мають можливість обертання по різних кругових траєкторіях у циліндричній порожнині й зворотно-поступального руху один відносно одного. Одні з елементів, що становлять кінематичні пари, мають пальці-повідки. Ротор має свічку запалювання або паливовпорскуючу форсунку, або свічку запалювання і паливовпорскуючу форсунку, одну або дві бічні кришки, впускне і випускне вікна, робочі камери в циліндрах і їхні ущільнення, установлені між циліндром і поршнем та між циліндром і корпусом. Одні з елементів, наприклад циліндри або поршні, відповідно, мають можливість обертання по колу, концентричному циліндричній порожнині, а другі елементи, наприклад поршні або циліндри, відповідно, мають можливість обертання по траєкторії, що задається їхніми повідками та напрямними, виконаними в днищі корпуса і бічній кришці, або в бічних кришках. Повідки встановлені в напрямних з можливістю обертання по них і провертання в них на певний кут один відносно одного. Центри траєкторій обертання циліндрів і поршнів, при необхідності, можуть бути зміщені один відносно одного на певну відстань - ексцентриситет машини. Обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, здійснюється по напрямним, в конструкціях яких є ділянки, що передбачують уповільнення, зависання, зупинку, прискорення та зворотний хід других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до перших елементів, наприклад циліндрів або поршнів, UA 113955 C2 (12) UA 113955 C2 відповідно, при рівномірному обертанні вихідного вала. Для уповільнення або прискорення служать ділянки з поступовим зменшенням або збільшенням радіуса траєкторії; для зупинки та зависання - ділянки з постійним радіусом траєкторії; для зворотного ходу - ділянка зі зміною радіуса траєкторії на протилежний напрямок. UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до машинобудування, зокрема до конструкцій та виробництва роторнопоршневих двигунів. Технічним рішенням, вибраним як прототип, є роторно-поршнева машина Ярошенка Ед. Вас. (8). [Патент України на винахід № 86822, кл. С2 F02B 53/00, 57/00. 29.01.2007 від 25.05.2009.]. Роторно-поршнева машина (РПМ), переважно роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння (РПДВЗ), щонайменше з однією секцією, являє собою нерухомий корпус із циліндричною порожниною і днищем (основою) або без днища. У циліндричній порожнині із зазором концентрично встановлений ротор з вихідним валом. По торцях корпусу встановлені бічні кришки. При наявності днища в корпусі встановлюється одна бокова кришка. Ротор являє собою круглу обойму-блок з установленими кінематичними парами "циліндр-поршень". Вихідний вал знаходиться в підшипниках, які встановлені в кришках або в кришці та днищі корпуса. Між внутрішньою циліндричною поверхнею корпуса й зовнішньою поверхнею ротора є ущільнення циліндрів, установлені в канавках обойми-блока ротора безпосередньо біля торців циліндрів. У циліндрах знаходяться поршні, що містять подовжені поршневі пальці (поршневі пальціповідки), які через прорізи в стінках циліндра і ротора виходять за межі ротора і входять своїми кінцями у напрямні, що задають кругову траєкторію руху пальців і, отже, поршнів. Напрямні виконані в стінках бічних кришок або в стінках бічної кришки та днищі корпуса у вигляді пазів, канавок, буртиків і т.п. В поршнях установлені ущільнення між циліндром та поршнем, виконані у вигляді поршневих кілець. Корпус, бічні кришки і їхні ущільнення скріплені між собою болтовими або шпильковими з'єднаннями. У корпусі виконані впускне вікно для впуску горючої суміші або повітря й випускне вікно для відводу газів, що відпрацювали. У корпусі також установлена свічка запалювання робочої суміші або паливовпорскуюча форсунка. Робоча камера в циліндрі обмежена корпусом, циліндром, поршнем і їхніми ущільненнями. Недоліками двигуна-прототипу є малий крутний момент і недостатня потужність через: - не повне використання сили згоряння палива; - мале плече прикладання крутної сили; - недостатнє використання габаритного розміру двигуна для розміщення збільшених, телескопічних або додаткових робочих камер; - складність, громіздкість й підвищену масу повідкового механізму й ротора; В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення роторно-поршневої машини шляхом: - виконання уповільнення, зависання, зупинки та зворотного руху (ходу) поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала; - встановлення в роторі двох симетричних дисків з відповідними напрямними обертового руху (ходу) поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала; - спорядження машини декількома комплектами двох симетричних дисків з різноманітними круговими напрямними обертового руху (ходу) поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала; - зміни кількості, тривалості та чергування процесів робочого циклу машини за рахунок періодичної при технічному обслуговуванні заміни одного комплекту дисків на другий новий комплект з відповідними напрямними обертового руху (ходу) поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала; - установки впускних і випускних вікон в корпусі або в днищі корпуса, або в бічних кришках корпуса, або по різному в зазначених частинах машини; - спрощення конструкції повідкового механізму й ротора; - установлення та використання РПМ в складі гібридних силових агрегатів. І, таким чином, забезпечити: - збільшення крутного моменту; - збільшення літрової та ефективної потужності машини; - економічний і екологічно чистий режим експлуатації двигуна; - істотну економію палива; - поліпшення екологічних показників; - зменшення матеріалоємності й трудомісткості виготовлення; - збільшення частки корисного використання габаритного об'єму; - підвищення компактності РПМ; - спрощення конструкції; - збільшення надійності роторно-поршневої машини. 1 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується тим, що в роторно-поршневій машині, переважно в роторно-поршневому двигуні внутрішнього згоряння, щонайменше з однією секцією, що містить корпус з днищем (основою) або без днища та із циліндричною порожниною, у якій знаходиться вихідний вал, жорстко пов'язаний з ротором, що має циліндри й поршні, які створюють кінематичні пари "циліндр-поршень", і мають можливість обертового руху по різних кругових траєкторіях у циліндричній порожнині й зворотно-поступального руху один відносно одного, при цьому одні з елементів (другі), що становлять кінематичні пари, наприклад поршні або циліндри, відповідно, мають пальці-повідки, а ще ротор має свічку запалювання або паливовпорскуючу форсунку, або свічку запалювання і паливовпорскуючу форсунку, одну або дві бічні кришки, впускне і випускне вікна, робочі камери в циліндрах і їхні ущільнення, установлені між циліндром і поршнем та між циліндром і корпусом, при цьому одні з елементів, наприклад циліндри або поршні, відповідно, мають можливість обертового руху по колу, концентричному циліндричній порожнині, а другі елементи, наприклад поршні або циліндри, відповідно, мають можливість обертового руху по траєкторії, що задається їхніми повідками та напрямними, наприклад буртиками, пазами, канавками, виконаними в днищі (основі) корпуса і бічній кришці, або в бічних кришках, а повідки встановлені в напрямних з можливістю кругового обертання по них і провертання в них на певний кут один відносно одного, при цьому центри траєкторій обертання циліндрів і поршнів, при необхідності, можуть бути зміщені один відносно одного на певну відстань - ексцентриситет машини, відповідно до винаходу, обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, здійснюється по напрямних, що відповідають їхнім траєкторіям кругового руху, в конструкціях (формах) яких є ділянки, що передбачають уповільнення, зависання, зупинку, прискорення та зворотний хід других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до перших елементів, наприклад циліндрів або поршнів, відповідно, при рівномірному обертанні вихідного вала, а саме: для уповільнення або прискорення служать ділянки з поступовим зменшенням або збільшенням радіуса траєкторії; для зупинки та зависання - ділянки з постійним радіусом траєкторії; для зворотного ходу ділянка зі зміною (збільшенням або зменшенням в межах необхідності і можливості) радіуса траєкторії на протилежний напрямок (знак). Крім вищевказаних основних істотних ознак, є додаткові альтернативні істотні ознаки, які характеризують винахід в окремих випадках. У роторі перші елементи, наприклад циліндри або поршні, відповідно, установлені радіально або паралельно зі зсувом щодо радіуса ротора, або під певним кутом до радіуса ротора. В напрямних обертового руху (ходу) других елементів, наприклад, поршнів або циліндрів, відповідно, закладені (відображені) відповідні процеси робочого циклу, їхні тривалість та чергування; Напрямні обертового руху (ходу) других елементів, наприклад, поршнів або циліндрів, відповідно, виконані в симетричних парних дисках, що жорстко вмонтовані в днищі (основі) корпуса і бічній кришці, або в бічних кришках, або по різному: один в корпусі, а другий - в кришці. Машина забезпечена декількома комплектами симетричних парних дисків з різноманітними за формою напрямними обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, в циліндричній порожнині корпусу. Комплект симетричних парних дисків з напраямними, при необхідності ремонту або зміни характеристик машини, замінюється на інший та встановлюється в при технічному обслуговуванні машини. В процесі "робочого ходу" за допомогою напрямних, в яких закладені (відображені) відповідні процеси робочого циклу, збільшена величина ходу других елементів, наприклад. поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до величини їхнього ходу в процесі "стиснення". Впускне і випускне вікна встановлені в корпусі або в днищі корпуса, або в бічних кришках, або по різному в зазначених частинах машини, наприклад: одне в корпусі, а друге - в кришці:. Свічка запалювання робочої суміші або паливовпорскуюча форсунка розміщена у корпусі або в днищі корпуса, або в боковій кришці, або по різному в зазначених частинах машини, наприклад: одна в днищі корпуса, а друга - в кришці. В роторі розміщені збільшені, телескопічні або додаткові робочі камери. Збільшене плече прикладання крутної сили та позитивний крутний момент в процесі "робочий хід"; Зменшене плече прикладання крутної сили та негативний крутний момент в процесі "стиснення"; Здійснений нерівномірний прямолінійний рух поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала; 2 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Другий елемент, наприклад поршень або циліндр, відповідно, зі своїм повідком виконаний, як одне ціле – однією Г-подібною деталлю або складальною одиницею. Повідки других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, мають втулки, установлені в напрямних їх обертового руху з можливістю вільно обертатися навколо повідка й котитися в напрямних. РПМ установлюється та використовується в складі гібридних силових агрегатів. Всі вищевказані істотні ознаки знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з досягнутим технічним результатом. Новими технічними властивостями (технічним результатом) роторно-поршневої машини є: - збільшення ефективної та літрової потужності за рахунок збільшення крутного моменту через збільшення крутної сили та плеча прикладання її до вихідного вала, кількості циклів та процесів "робочий хід" і числа обертів вихідного вала; - збільшення частки корисного використання габаритного об'єму; - зменшення маси й габаритних розмірів, підвищення компактності й спрощення конструкції, що відбуваються через установку не матеріалоємних, легких і малогабаритних повідків, а також відповідних напрямних обертових рухів циліндрів або поршнів; - спрощення конструкції повідкового механізму й ротора; - зменшення вартості завдяки зменшенню трудомісткості й простоті технології виготовлення; - підвищення надійності завдяки застосуванню простих по конструкції пальців-повідків і відповідних напрямних обертових рухів циліндрів або поршнів. Винахід пояснюється кресленнями, на яких представлені: Фіг. 1. Поперечний розріз роторно-поршневого двотактного двигуна з радіальним пальцеподібним повідковим механізмом і щілинною системою газорозподілу; Фіг. 2. Поперечний розріз роторно-поршневого двотактного двигуна з паралельним пальцеподібним повідковим механізмом і щілинною системою газорозподілу; Фіг. 3. Поперечний розріз роторно-поршневого двотактного двигуна з кутовим пальцеподібним повідковим механізмом і щілинною системою газорозподілу; Фіг. 4. Поздовжній розріз роторно-поршневого двигуна з центральним вихідним валом відбору потужності, пальцеподібним повідковим механізмом та змінними симетричними дисками з напрямними обертового руху поршнів; Фіг. 5. Змінні симетричні диски з напрямними обертового руху поршнів роторно-поршневого двигуна з центральним вихідним валом відбору потужності та пальцеподібним повідковим механізмом; Фіг. 6. Деякі ексклюзивні замкнуті кругові форми конструкцій напрямних обертання поршнів навколо вихідного вала відбору потужності роторно-поршневих двигунів. Фіг. 7. Ексклюзивна траєкторія обертання поршнів роторно-поршневого двотактного двигуна з ділянкою "зависання" та "зупинки" поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала і ротора; Фіг. 8. Ексклюзивна траєкторія обертання поршнів роторно-поршневого двотактного двигуна з кутовим розміщенням циліндрів в роторі. Плечі і вектори крутних сил, що приводять в обертання вихідний вал; Фіг. 9. Ексклюзивна траєкторія обертання поршнів роторно-поршневого двотактного двигуна навколо центра О та вихідного вала зі збільшеними камерою розширення відносно до камери стиснення, ділянками "робочого ходу" та "продувки" циліндрів; Фіг. 10. Ексклюзивна траєкторія обертання поршнів роторно-поршневого двотактного з двома додатковими тактами "стиснення" та "робочий хід" (чотиритактного) двигуна зі збільшеними "робочим ходом"; Фіг 11. Ексклюзивна траєкторія обертання поршнів роторно-поршневого чотиритактного двигуна зі збільшеною камерою розширення відносно до камери стиснення. Плечі прикладання та вектори крутних сил, що приводять в обертання вихідний вал; Фіг. 12. Ексклюзивна траєкторія обертання поршнів роторно-поршневого чотиритактного з двома додатковими тактами "стиснення" та "робочий хід" (шеститактного) двигуна зі збільшеними "робочим ходом"; Далі описані варіанти виконання конструкцій пропонованих роторно-поршневих двотактних двигунів карбюраторного, інжекторного або дизельного типів (див. фіг. 1-5). Конструкції роторнопоршневих чотири - та більштактних двигунів карбюраторного, інжекторного або дизельного типів аналогічні двотактним. Двигун має корпус 1 із циліндричною порожниною 2, у якій з певним зазором Z. концентрично встановлений ротор 3 з вихідним валом 4 відбору потужності. 3 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корпус містить у собі концентрично розташовані обичайки 5 та 6, між якими встановлені розпірки 7 з рядом отворів у них для проходження охолоджуючої рідини (охолоджувача). По торцях корпуса перебувають його днище (основа) 8 і бічна кришка 9 або бічні кришки 8 і 9 при відсутності днища (основи) в корпусі. Обичайки корпуса, основа й кришка або дві кришки, коли корпус не має днища (основи), спільно утворюють порожнини 10 для охолоджуючої рідини, наприклад води, що подається у двигун через штуцер 11, а потім виходить із двигуна через штуцер 12. Штуцери встановлені в корпусі або в бічних кришках, або в корпусі та бічній кришці. У корпусі або у бічних кришках знаходяться для впуску горючої суміші або повітря впускне вікно 13 і випускне вікно 14 для видалення з камери 15 робочого циліндра 16 газів, що відпрацювали. Ротор 3 являє собою обойму (блок циліндрів) 17 з установленими циліндрами 16. Циліндри можуть установлюватися в роторі радіально (див. фіг. 1), паралельно зі зсувом щодо радіуса ротора (див. фіг. 2) або під певним кутом до радіуса ротора (див. фіг. 3). Вихідний вал 4 встановлений у кришках 8 і 9 на підшипниках ковзання 53. На валу розміщений кулачок 20, що кінематично з'єднаний зі штоком 21 для приведення в дію механізму запалювання зі свічею 22 (для двигунів карбюраторного та інжекторного типів) або механізму подачі палива через форсунку 23 у камеру 15 робочого циліндра (для двигунів інжекторного та дизельного типів). Між корпусом і ротором, безпосередньо біля торців циліндрів з боку корпуса, в роторі перебувають ущільнення 24 і 25, виконані у вигляді кілець або півкілець із торцевою циліндричною поверхнею з боку циліндричної порожнини корпуса, які встановлені в пазах обойми 17 ротора. Циліндри 16 скріплені між собою в обойму 17 за допомогою двох дисків 26 і бандажа 27. Обойма ротора також може бути виконана відливанням з відповідного матеріалу (металу). У циліндрах перебувають поршні 28 з ущільнюючими поршневими кільцями 29 та поршневими пальцями 30 з повідками 31. До складу повідка входять кінці поршневого пальця та їхні втулки 70. В стінках перших елементів, наприклад циліндрів або поршнів, відповідно, та ротора виконані направляючі прорізи 61 під пальці-повідки 30-31 других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно. Поршневі пальці 30 проходять через прорізи 61 в стінках циліндра та ротора, а їхні повідки (кінці поршневого пальця) 31 з втулками 70 знаходяться у напрямних 62 обертового руху поршня, виконаних в днищі (основі) корпуса 8 та бічній кришці 9 або у бічних, кришках 8 і 9. Напрямні виконані в стінках днища (основи) корпуса та бокової кришки або в стінках бокових кришок у вигляді пазів, канавок, буртиків і т.п. При цьому поршень 28, поршневий палець 30 з повідками 31 можуть бути виконаними, як одне ціле (однією Т-подібною деталлю або складальною одиницею). Поршні 28 з поршневими кільцями 29, пальцями-повідками 30-31 та їхніми втулками 70 мають можливість обертання по напрямних 62 і провертання по цих напрямних один відносно другого на певний кут. Напрямні 62 й повідки 31 задають траєкторію обертового руху поршневих пальців 30 і, отже, поршнів 28 у вигляді замкнутої кругової фігури, наприклад кола (окружності), центр якого зміщений на певну відстань - ексцентриситет Е (e) двигуна щодо осі вихідного вала й ротора. Між корпусом й бічними кришками встановлені ущільнення 43 і 44 у вигляді кільцевих прокладок. Корпус 7, бічні кришки 8 та 9 й ущільнення скріплені між собою шпильковими з'єднаннями 45. Повідки 31 та напрямні 62 задають траєкторію обертового руху поршневих пальців поршнів у вигляді замкнутої кругової фігури, наприклад кола (окружності), форма та конструкція якої виконується на основі досвіду та експериментальних даних. У нашому варіанті виготовлення двигуна траєкторія обертового руху поршня виконана у вигляді неправильного кола з поправками "від руки" на різних ділянках роботи поршня в камері циліндра. Поправки виконані на підставі даних досвіду та відповідних досліджень в межах необхідності і можливості. Камера циліндра складається з робочої камери 15 та камери 48 згоряння. Камера циліндра обмежена циліндром 16, поршнем 28 з його поршневими кільцями 29 і ущільненнями 24 і 25 між ротором та корпусом (вірніше, між торцями циліндра та поверхнею циліндричної порожнини корпуса). Сама верхня частина камери циліндра є камерою 48 згоряння (простір камери циліндра над поршнем при положенні поршня у верхній точці (ВТ) циліндра). З метою подовження часу на випуск відпрацьованих газів, продувку циліндра й впуск свіжого повітря, у двигуні передбачені перепускні вибірки 49 впускного вікна й 50 - випускного вікна, 4 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконані у внутрішній обичайці 5 корпуса. При бічній системі газорозподілу вибірки виконуються в днищі (основі) корпуса або в бічній кришці. Проти пригоряння ущільнюючих деталей, встановлених в роторі, служить поріг 51 і його експандер (плоска пружина) 52. Поріг утоплює у пазах ротора ущільнюючі кільця, півкільця та пластини щораз, коли вони перебувають під його впливом у нижній точці (НТ) циліндричної порожнини корпуса й цим сприяє руху цих деталей у пазах ротора й усуває їхнє пригоряння. В днищі (основі) корпуса або в бічній кришці встановлений штуцер 55 для підведення мастила й штуцер 56 для відводу мастила із двигуна. Роль маховика у двигуні виконує обойма (блок) циліндрів 17 ротора 2, як найбільш масивна деталь або складальна одиниця, що обертається. При необхідності, можлива установка маховика на вихідному валу 4. Робочі поверхні деталей, які труться, наприклад ущільнюючих кілець, півкілець, пластин, циліндричної порожнини 2 корпуса й т.п., можуть бути покриті твердим хромом або молібденом. Напрямні 62 відіграють важливу роль в конструкціях роторно-поршневих двигунів. Дякуючи їм задаються основні характеристики двигунів: тактність за відповідну частину обороту вихідного вала, кількість процесів робочого циклу двигуна, тривалість процесів і їхнє чергування. На фіг. 6 показані деякі ексклюзивні замкнуті кругові форми конструкцій напрямних обертання поршнів навколо вихідного вала відбору потужності роторно-поршневих двигунів. За допомогою спеціальної траєкторії обертання поршнів можна виконати "зависаннязупинку" поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала і ротора, наприклад, у верхній точці циліндра, як показано на фіг. 7. Це зависання або зупинка виконується за допомогою заокруглень траєкторії обертального руху поршня радіусом, відповідним відстані першої точки ділянки траєкторії (де необхідне зависання або зупинка) від осі циліндричної порожнини корпусу. Наприклад, при знаходженні поршня у верхній точці циліндра. При необхідності, це можна виконати на будь-якій ділянці траєкторії. Обсяг камери циліндра в цьому випадку не змінюється протягом заданого часу і певного кута повороту вихідного вала. При цьому нерівномірний прямолінійний рух других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до перших елементів, наприклад циліндрів або поршнів, відповідно, здійснюється при рівномірному обертанні вихідного вала. При постійному об'ємі камери згоряння відбуваються запалювання, займання і згоряння робочої паливоповітряної суміші в карбюраторному і інжекторному двигунах, а в дизельному двигуні – упорскування палива, його займання і згоряння. Процес згоряння при цьому відбувається, як би (неначе) в окремій камері згоряння, що дозволяє використовувати всі переваги замкнутого постійного об'єму в циліндрі роторнопоршневого двигуна для згоряння. Можна досягти високих - 2500 і більше градусів за Цельсієм температур робочого тіла. При цьому паливо буде вигоряти повністю. Збільшується потужність і поліпшуються екологічні показники двигуна. Час на процес запалювання та займання робочої суміші або палива (на реакції перед згорянням) збільшується, необхідність випередження запалювання виключається. Це дає можливість організувати в інжекторних і дизельних РПД багаторазове (подвійне і більше) впорскування палива та пошарове його згоряння. Забезпечується повне згоряння та економічний і екологічно чистий режим експлуатації двигуна. Досягається ефект істотної економії палива. Згоряння палива в камері розширення, яке часто відбувається в поршневих двигунах, завжди пов'язане з погіршенням роботи двигуна - втратою потужності і його перегрівом. Чим повніше і швидше встигає вигоряти паливо при більш високих тиску і температурі, тим вище термічний коефіцієнт корисної дії двигуна. З метою збільшення або зменшення часу здійснення того чи іншого процесу, і, відповідно, величини (довжини) ходу поршня в циліндрі при різних процесах, направляючі траєкторії обертового руху поршнів можуть виконуватися у вигляді неправильних кіл (окружностей), еліпсів, округлених неправильних багатокутників з опуклими або увігнутими сторонами різної довжини (див. фіг. 6). Вони також можуть бути виконані "від руки" на підставі даних досвіду та відповідних досліджень (див. фіг. 8-12). На фіг. 8 показаний двотактний (за один оберт вихідного вала відбору потужності) РПДВС, в якому частина траєкторії обертання поршня виконана у вигляді півкола, а інша частина траєкторії виконана у вигляді еліпса. В даному випадку повніше використовуються крутна сила, крутний момент і потужність двигуна, збільшено час протікання процесу "робочий хід". Збільшений радіус напрямних в корисному процесі "робочого ходу". Зі збільшенням радіуса обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, збільшується 5 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 величина плеча прикладання крутної сили до вихідного вала. Тим самим збільшується сумарний корисний крутний момент двигуна. В затратних процесах "впуску" та "випуску" радіус напрямних зменшений. Зі зменшенням радіуса обертання других елементів, наприклад, поршнів або циліндрів, відповідно, зменшується величина плеча прикладання від'ємної некорисної допоміжної крутної сили до вихідного вала. Тим самим зменшується від'ємний некорисний крутний момент. За рахунок цього збільшується сумарний корисний крутний момент двигуна. За допомогою своєрідних спеціальних траєкторій обертання поршнів, наприклад, показаної на фіг. 9, можна домогтися більш якісного згоряння палива і більш високого крутного моменту на вихідному валу протягом його півоберту, а то й 5/8 оберту, де відбувається процес "робочий хід". Також можна домогтися меншого допоміжного (витратного або негативного) крутного моменту протягом наступного півоберту або 3/5 оберту, де відбувається процес "стиснення". Для двотактного (за один оборот вихідного вала) двигуна див. фіг. 9. Для чотиритактного (за один оборот вихідного вала) двигуна див. фіг. 10. У процесі "робочий хід" відповідну ділянку траєкторії руху поршня бажано наблизити до траєкторії руху циліндра. В цьому випадку доцільніше і повніше використовується початковий високий тиск в камері циліндра. Збільшується плече крутної сили, що сприяє збільшенню позитивного крутного моменту. У процесі стиснення її відповідну ділянку бажано віддалити від траєкторії руху циліндра. При цьому зменшується плече допоміжної крутної сили, що сприяє зменшенню допоміжного витратного негативного крутного моменту. Для підвищення сумарного крутного моменту, коефіцієнта корисної дії і, відповідно, потужності двигуна застосовуються ексклюзивні траєкторії обертання поршнів, які зображені на фіг. 10-12. В РПДВС, як і у ПДВС, існують процеси робочого циклу, які умовно можна назвати баластними. Баластні процеси не є процесами термодинамічного циклу робочого тіла двигуна. На їхнє відтворення витрачається не тільки час роботи двигуна, а й вироблена двигуном механічна енергія у вигляді механічних зусиль, що знімаються з його вихідного вала. Баластними процесами є процеси "впускання" і "випускання". Вони не являють процеси нагріву або охолодження робочого тіла. Вони характеризують собою тільки технологічні процеси доставки холодного робочого тіла в локалізовану робочу порожнину двигуна (робочу камеру циліндра) і видалення з неї вже нагрітого робочого тіла. Чим коротше за часом тривають баластні процеси, тим менше енергії власних потреб двигуна може бути на них витрачено. Можливий варіант роторно-поршневого двигуна з подовженим (більше 180° обертання вихідного вала) "робочим ходом" поршня в циліндрі (див. фіг. 9-12). В поршневих моторах (і в двигуні Ванкеля теж) процес "горіння робочої суміші та створення робочого тіла" і процес "розширення робочого тіла і робочий хід" поєднані в одному процесі, звідки неминуче виникають серйозні недоліки цих моторів. На відміну від поршневих моторів і двигунів Ванкеля, в конструкціях РПДВС за допомогою спеціальних траєкторій обертання пальців-повідків поршнів (див. фіг. 6-12) на їх ділянках "зависання" та "зупинки" вдається виділити в окремий технологічний процес "горіння робочої суміші і створення робочого тіла високого тиску ". Процес відбувається в замкнутому постійному об’ємі, що є основною умовою згоряння. Це ізохорний процес. Саме технічно відокремлений процес "горіння робочої суміші і створення робочого тіла високого тиску" позитивно впливає на високий термічний коефіцієнта корисної дії двигунів, як би (неначе) перетворюючи їх з чотирипроцесних - в п'ятипроцесні. Камеру згоряння можна зробити практично наближену до сферичної форми із жароміцного матеріалу - кераміки, що сприяє кращому і повному згорянню робочої суміші або палива. Роль маховика у двигуні виконує обойма (блок) циліндрів, як найбільша масивна деталь. що обертається. При необхідності, на вихідному валу встановлюється маховик. Робочі поверхні деталей, які труться, наприклад ущільнюючих кілець та півкілець, циліндричної порожнини корпуса тощо, покриваються твердим хромом або молібденом, або керамічним покриттям. Розглянемо роторно-поршневий двотактний чотирициліндровий двигун внутрішнього згоряння (карбюраторного, інжекторного або дизельного типу) з кутовим пальцеподібним повідковим механізмом у дії (див. фіг. 1-5). При обертанні вала 4, обертається ротор 3 і, отже, обертається обойма 17 із циліндрами 16 і поршнями 28 з їхніми пальцями-повідками 30-31 та втулками 70. При цьому пальці-повідки та втулки установлені в напрямних 62. Обойма 17 ротора з жорстко установленими циліндрами обертається по колу навколо центра О, а поршні з пальцями-повідками в зборі обертаються по своєму колу (окружності) навколо центра А, Центри О і А перебувають на відстані 6 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ексцентриситету Е (e) один від одного. Одночасно поршні 28 переміщаються в циліндрах 16. При обертанні ротора, ущільнюючі деталі, наприклад кільця, півкільця та пластини, під дією виникаючих при цьому відцентрових сил, щільно притискуються до поверхні циліндричної порожнини корпуса. Почнемо з моменту подачі горючої суміші або свіжого повітря в робочу камеру 15 циліндра двигуна. Розглянутий циліндр перебуває в нижній частині циліндричної порожнини корпуса. Палець-поводок 30-31 переміщає по колу свій поршень 28, а в циліндрі 16 переміщає цей же поршень від нижньої точки (НТ) циліндра до верхньої точки (ВТ) циліндра (вгору від вихідного вала). Через впускне вікно 13 у замкнутий простір - робочу камеру 15 і камеру 48 згорання з карбюратора подається горюча суміш для двигуна карбюраторного типу або з нагнітачів під певним тиском надходить свіже повітря для двигунів інжекторного і дизельного типів. Відбувається процес "впускання". При подальшому обертанні вихідного вала 4 і ротора 3, впускне вікно 13 і його вибірка 49 закриваються обоймою 17 (бандажем 27) ротора. Робоча суміш, що утворилася в двигуні карбюраторного типу, або повітря, що надійшло в робочу камеру 15 двигунів інжекторного і дизельного типів, стискуються. Тут в інжекторному двигуні відбувається впорскування палива. Температура робочої суміші в камерах двигунів карбюраторного і інжекторного типів підвищується. Температура повітря в робочій камері двигуна дизельного типу різко і значно підвищується до високих значень завдяки високому ступеню стиснення. Відбувається процес "стиснення". При досягненні поршнем верхньої точки циліндра, відбувається запалювання робочої суміші за допомогою свічки 22 запалювання для двигунів карбюраторного і інжекторного типів або відбувається уприскування палива через форсунку 23 для двигуна дизельного типу. Робоча суміш в карбюраторному і інжекторному двигунах запалюється від електричної іскри, а паливо в дизельному двигуні запалюється від високої температури стисненого повітря. Для гарантованого запалення тут (в дизельному двигуні) можлива додаткова установка свічки 22 запалення. Далі в камері згоряннявідбувається займання (загоряння) і згоряння робочої суміші або палива. Для встановлення постійного об'єму камери згоряння, що є основною умовою згоряння, напрямні 62 на ділянці траєкторії, що належить до камери згоряння, являють собою частину кола (окружності) з центром О концентричну траєкторію обертання циліндрів. В цьому місці та в цей час поршень і циліндр обертаються концентрично один відносно другого, що викликає відносне зупинення поршня в циліндрі та їхнє рівномірне обертання навколо вихідного вала. Протягом цього відповідного часу поршень в циліндрі знаходиться на постійному місці (див. фіг. 1). Відбуваються процеси "запалювання", "займання" та "згоряння" або в сумі при постійному об’ємі камери згоряння відбувається окремий технологічний процес "горіння робочої суміші і створення робочого тіла високого тиску ". По закінченні процесу "згоряння" робочої суміші або палива траєкторія обертання поршня переходить з ділянки, що являє собою частину кола (окружності) з центром О, на ділянку, що являє собою частину кола (окружності) з центром А. Під дією тиску газів, що утворилися при згорянні, поршень обертається в напрямних по колу (окружності) з центром А й одночасно переміщається в циліндрі від верхньої точки циліндра до нижньої точки циліндра (вниз до вихідного вала). Він за допомогою пальця-повідка 30-31, діючи на стінки циліндра та ротора в їхніх прорізах 61, обертає ротор з вихідним валом, виконуючи при цьому корисну роботу. Відбувається процес "робочий хід". При подальшому обертанні вала з ротором, обсяг камери робочого циліндра збільшується, а тиск газів у ній зменшується. Камера 15 робочого циліндра підводиться до випускного вікна 14 і його вибірки 50. Гази, що відпрацювали, видаляються із двигуна. Відбувається процес "випускання". Завдяки перепускним вибіркам 49 і 50, що розширюють робочу зону впускних і випускних вікон, відбувається з'єднання зазначених вікон через камеру 15 і продувка камери робочого циліндра горючою сумішшю для двотактного двигуна карбюраторного типу або повітрям для двигунів інжекторного і дизельного типів, що надійшли із впускного вікна. Відбувається процес "продувки" або очищення робочої камери циліндра. Обертаючись далі, ротор своєю обоймою 17 (бандажем 27) перекриває випускне вікно 14 і камера 15 підводиться безпосередньо до впускного вікна 13. Відбувається процес "впускання". Процеси безупинно повторюються, чим забезпечується робота двигуна й одержання на його вихідному валу відбору потужності необхідного зусилля. 7 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Покажемо основні й додаткові істотні ознаки винаходу більш детально, стосовно до варіанта виконання машини. Роторно-поршнева машина, переважно роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, щонайменше з однією секцією, має загальні із прототипом відомі ознаки, а саме: містить корпус 1 включаючи його циліндричну порожнину 2 і днище (основу) 8, в деяких варіантах виготовлення, або без нього, зі свічкою запалювання 22 або паливовпорскуючою форсункою 23, бічними кришками 8 та 9, впускним 13 і випускним 14 вікнами. У циліндричній порожнині 2 знаходиться вихідний вал 4 відбору потужності, на якому жорстко встановлений ротор 3. Ротор оснащений циліндрами 16 і поршнями 28, які разом створюють кінематичні пари "циліндр-поршень". Циліндр і поршень мають можливість обертового руху по різних кругових траєкторіях у циліндричній порожнині й зворотно-поступального руху один відносно одного. Одні з елементів (другі), що становлять кінематичні пари, наприклад, поршні або циліндри, відповідно, мають пальці-повідки 30-31. Ротор 3 має свічку 22 запалювання або паливовпорскуючу форсунку 23. Циліндри й поршні обертаються в циліндричній порожнині 2 корпуса 1 по різних траєкторіях і одночасно рухаються поступально один відносно одного. Корпус 1, циліндр 16, поршень 28 з ущільнюючими кільцями 24, 25 та 29 утворюють замкнутий простір - робочу камеру 15 з камерою 48 згоряння. Між корпусом 1 і ротором 3 установлені ущільнення 24 і 25, а між циліндром 16 і поршнем 28 установлені ущільнюючі поршневі кільця 29 робочої камери 15 і камери 48 згоряння. Одні з елементів, що створюють кінематичні пари, циліндри 16 обертаються по колу, концентричному циліндричній порожнині 2, а другі елементи - поршні 28 обертаються по траєкторії, що задається пальцями-повідками 30-31 і їхніми напрямними 62, виконаними в днищі (основі) 8 корпуса 1 і в бічній кришці 9 або у бічних кришках 8 і 9 у вигляді пазів, канавок, буртиків і т.п. Поводки 31 з втулками 70 поршневих пальців 30 встановлені в напрямних 62 з можливістю кругового обертання в них і провертання сусідніх повідків в них на певний кут один відносно одного. При цьому центри траєкторій обертання циліндрів і поршнів, при необхідності, можуть бути зміщені один відносно одного на певну відстань Е(е) - ексцентриситет машини. Пропонована роторно-поршнева машина має нові ознаки, які відрізняють заявлений об'єкт винаходу від прототипу: обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, здійснюється по напрямних 62 (що відповідають їхнім траєкторіям кругового руху). В конструкціях (формах) напрямних є ділянки, що передбачають уповільнення, зависання, зупинку, прискорення та зворотній хід других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до перших елементів, наприклад циліндрів або поршнів, відповідно, при рівномірному обертанні вихідного вала 4, а саме: для уповільнення або прискорення служать ділянки з поступовим зменшенням або збільшенням радіуса траєкторії; для зупинки та зависання - ділянки з постійним радіусом траєкторії; для зворотного ходу - ділянка зі зміною (збільшенням або зменшенням в межах необхідності і можливості) радіуса траєкторії на протилежний напрямок (знак). Крім вищевказаних основних істотних ознак, є додаткові альтернативні істотні ознаки, які характеризують винахід в окремих випадках. У роторі 3 перші елементи, наприклад циліндри або поршні, відповідно, установлені радіально або паралельно зі зсувом щодо радіуса ротора, або під певним кутом до радіуса ротора. В напрямних 62 обертового руху (ходу) других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, закладені (відображені) відповідні процеси робочого циклу, їхні тривалість та чергування; Напрямні 62 обертового руху (ходу) других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, виконані в симетричних парних дисках 109, що жорстко вмонтовані в днищі (основі) 8 корпуса і бічній кришці 9, або в бічних кришках 8 та 9, або по різному: один в корпусі. а другий - в кришці. Машина забезпечена декількома комплектами симетричних парних дисків 109 з різноманітними за формою напрямними обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, в циліндричній порожнині 2 корпусу. Комплект симетричних парних дисків 109 з напрямними 62, при необхідності ремонту або зміни характеристик машини, замінюється на інший та встановлюється в при технічному обслуговуванні машини. ' 8 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В процесі "робочого ходу" за допомогою напрямних 62, в яких закладені (відображені) відповідні процеси робочого циклу, збільшена величина ходу других елементів, наприклад, поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до величини їхнього ходу в процесі "стиснення". Впускне 13 і випускне 14 вікна встановлені в корпусі або в днищі корпуса, або в бічних кришках, або по різному в зазначених частинах машини, наприклад: одне в корпусі, а друге - в кришці;. Свічка 22 запалювання робочої суміші або паливовпорскуюча форсунка 23 розміщена у корпусі або в днищі корпуса, або в боковій кришці, або по різному в зазначених частинах машини, наприклад: одна в днищі корпуса, а друга - в кришці. В роторі 3 розміщені збільшені, телескопічні або додаткові робочі камери 15. Збільшене плече прикладання крутної сили та позитивний крутний момент в процесі "робочий хід"; Зменшене плече прикладання крутної сили та негативний крутний момент в процесі "стиснення"; Здійснений нерівномірний прямолінійний рух поршня в циліндрі при рівномірному обертанні вихідного вала; Другий елемент, наприклад, поршень або циліндр, відповідно, зі своїм повідком виконаний, як одне ціле - однієї Т-подібною деталлю або складальною одиницею. Повідки других елементів, наприклад, поршнів або циліндрів, відповідно, мають втулки 70, установлені в напрямних 62 їх обертового руху з можливістю вільно обертатися навколо повідка 31 й котитися в направляючих. РПМ установлюється та використовується в складі гібридних силових агрегатів. Наслідком нових технічних властивостей (технічного результату) роторно-поршневої машини є її нові споживчі властивості, а саме: - збільшення крутного моменту; - збільшення потужності; - збільшення коефіцієнта корисної дії; - поліпшення екологічних показників; - економічний і екологічно чистий режим експлуатації РПМ; - істотна економія палива; - зменшення матеріалоємності й трудомісткості виготовлення; - спрощення конструкції; - підвищення компактності; - збільшення частки корисного використання габаритного об'єму; - збільшення надійності роторно-поршневої машини; - зменшення вартості роторно-поршневої машини. Джерела інформації: 1. Анохин В.И. Отечественные автомобили. М., Машиностроение, 1964. 2. Артамонов М.Д. и Панкратов Г.П. Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М., Машиностроение, 1963. 3. Белкин А.И. Автомобиль "Москвич - 2140". М., Машиностроение, 1985. 4. Болтинский В.Н. Автотракторные двигатели. М., Сельхозгиз, 1938. 5. Вихерт М.М. и др. Конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М., Машиностроение, 1964. 6. Орлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М., Машиностроение, 1970. 7. Ханин Н.С. и Чистозвонов СВ. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. "Машгиз". 1964. 8. Ярошенко Е.В. Роторно-поршнева машина Ярошенка Ед. Вас. Патент України на винахід № 86822, кл. С2 F02B 53/00, 57/00, 29.01.2007 від 25.05.2009" (прототип). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Роторно-поршнева машина, переважно роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, щонайменше з однією секцією, що містить корпус з днищем або без днища та із циліндричною порожниною, у якій знаходиться вихідний вал, жорстко пов'язаний з ротором, що має циліндри й поршні, які створюють кінематичні пари "циліндр-поршень" і мають можливість обертового руху по різних кругових траєкторіях у циліндричній порожнині й зворотно-поступального руху один відносно одного, при цьому одні з елементів, що становлять кінематичні пари, наприклад поршні або циліндри, відповідно, мають пальці-повідки, а ще ротор має свічку запалювання або 9 UA 113955 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 паливовпорскуючу форсунку, або свічку запалювання і паливовпорскуючу форсунку, одну або дві бічні кришки, впускне і випускне вікна, робочі камери в циліндрах і їхні ущільнення, установлені між циліндром і поршнем та між циліндром і корпусом, при цьому одні з елементів, наприклад циліндри або поршні, відповідно, мають можливість обертового руху по колу, концентричному циліндричній порожнині, а другі елементи, наприклад поршні або циліндри, відповідно, мають можливість обертового руху по траєкторії, що задається їхніми повідками та напрямними, наприклад буртиками, пазами, канавками, виконаними в днищі корпуса і бічній кришці, або в бічних кришках, а повідки встановлені в напрямних з можливістю кругового обертання по них і провертання в них на певний кут один відносно одного, при цьому центри траєкторій обертання циліндрів і поршнів, при необхідності, можуть бути зміщені один відносно одного на певну відстань - ексцентриситет машини, обертання других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, здійснюється по напрямних, що відповідають їхнім траєкторіям кругового руху, в конструкціях яких є ділянки, що передбачають уповільнення, зависання, зупинку, прискорення та зворотний хід других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до перших елементів, наприклад циліндрів або поршнів, відповідно, при рівномірному обертанні вихідного вала, а саме: для уповільнення або прискорення служать ділянки з поступовим зменшенням або збільшенням радіуса траєкторії; для зупинки та зависання - ділянки з постійним радіусом траєкторії; для зворотного ходу ділянка зі зміною радіуса траєкторії на протилежний напрямок. 2. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що у роторі перші елементи, наприклад циліндри або поршні, відповідно, установлені радіально або паралельно зі зсувом щодо радіуса ротора, або під певним кутом до радіуса ротора. 3. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що напрямні обертового руху других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, виконані в симетричних парних дисках, що жорстко вмонтований в днищі корпуса і бічній кришці або в бічних кришках, або по різному: один в днищі корпуса, а другий - в бічній кришці. 4. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що машина забезпечена декількома комплектами симетричних парних дисків з різноманітними за формою направляючими обертання других елементів, наприклад, поршнів або циліндрів, відповідно, в циліндричній порожнині корпусу. 5. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що комплект симетричних парних дисків з напрямними виконаний змінним на випадок ремонту, зміни характеристик машини або технічного обслуговування машини. 6. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що в процесі "робочого ходу" за допомогою напрямних, збільшена величина ходу других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, відносно до величини їхнього ходу в процесі "стиснення". 7. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що впускне та випускне вікна виконані в корпусі або в бічних кришках, або виконані змішано: одне вікно виконане в корпусі, а друге - в бічній кришці. 8. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що свічка запалювання робочої суміші або паливовпорскуюча форсунка розміщена у корпусі або в бічній кришці, або по різному в зазначених частинах машини, наприклад: одна в корпусі, а друга - в бічній кришці. 9. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що в роторі розміщені збільшені, телескопічні або додаткові робочі камери. 10. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що другий елемент, наприклад поршень або циліндр, відповідно, зі своїм повідком виконаний, як одне ціле - однієї Т-подібною деталлю або складальною одиницею. 11. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що повідки других елементів, наприклад поршнів або циліндрів, відповідно, мають втулки, установлені в напрямних їх обертового руху з можливістю вільно обертатися навколо повідка й котитися в напрямних. 12. Роторно-поршнева машина за п. 1, яка відрізняється тим, що вона установлюється та використовується в складі гібридних силових агрегатів. 10 UA 113955 C2 11 UA 113955 C2 12 UA 113955 C2 13 UA 113955 C2 14 UA 113955 C2 15 UA 113955 C2 16 UA 113955 C2 17 UA 113955 C2 18 UA 113955 C2 19 UA 113955 C2 20 UA 113955 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 21