Планетарний роторно-поршневий двигун

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателестроении. Известна конструкция двигателя внутреннего сгорания, в которой для создания рабочих камер переменного объема используется внутренняя криволинейная поверхность корпуса, содержащая цилиндры, выходной вал, жестко соединенный с ротором, поршни со штоками и ролики, установленные в штоках и взаимодействующие с внутренней криволинейной поверхностью корпуса [1]. Главные недостатки этого двигателя большие потери на трение и быстрый износ, вызванные тем, что на ролики действует боковая сила, перекашивающая поршни в цилиндрах. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому планетарному роторно-поршневому двигателю является роторно-поршневой двигатель Ванкеля. В 1961 году техническому миру стало известно о реализации доктором Феликсом Ванкелем идеи двигателя с вращающимся ротором, в котором ротор, имеющий в сечении форму треугольника с изогнутыми наружу сторонами, вращается внутри корпуса с циклоидальной формой внутренней поверхности, создавая тем самым камеры переменного объема: в одной камере горючая смесь сжимается, в другой - сгорает, а из третьей - отработанные газы выталкиваются наружу. Траектория движения ротора формируется за счет зубчатой передачи внутреннего зацепления, для чего на внутренней поверхности ротора и на наружной поверхности эксцентрика выходного вала нарезаны зубья. В формировании траектории движения ротора используется внутренняя поверхность корпуса двигателя, в которую ротор упирается своими вершинами, причем все три вершины ротора касаются внутренней поверхности корпуса одновременно и постоянно. Отношение числа зубьев эксцентрика к числу зубьев ротора составляет 2 : 3, что обеспечивает передаточное отношение между ротором и выходным валом двигателя 1 : 3, т.е. за один полный оборот ротора выходной вал двигателя сделает три оборота и будет три раза выполнен полный цикл работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение горючей смеси производится одной свечой, три раза за один полный оборот ротора. При работе в режиме дизеля вместо свечи устанавливается форсунка для распыления и впрыскивания топлива. Специального газораспределительного механизма в двигателе нет, впуск горючей смеси и выпуск отработанных газов осуществляется самим ротором, открывающим и закрывающим при своем движении соответствующие отверстия или щели в корпусе двигателя. Равномерность вращения обеспечивается, как и в традиционных двигателях - маховиком. Остальные системы (питания, охлаждения, смазки и т.д.) аналогичны применяемым в двигателях обычной конструкции [2]. Главным недостатком двигателя Ванкеля является быстрый износ и малая единичная мощность. Дело в том, что давление, создаваемое в камере сгорания воспринимается не только зубчатой передачей, но и вершинами ротора, а через них передается на внутреннюю поверхность корпуса двигателя. Между ротором и корпусом контакт линейный, площадь контакта крохотная, поэтому даже небольшое давление в камере сгорания создает весьма значительные удельные давления в местах контакта ротора с корпусом двигателя. Положение осложняется тем, что именно в этих местах необходимо устанавливать уплотнения между ротором и корпусом. Применение специальных износостойких материалов позволило создать вначале миниатюрные двигатели Ванкеля для моделей, а затем маломощные модульные блоки для автомобильных двигателей, уступающие по ресурсу традиционным двигателям внутреннего сгорания. Сложность создания мощных двигателей Ванкеля обусловлена также тем, что увеличение мощности приводит к росту удельного давления в местах касания ротора с корпусом, причем при увеличении мощности двигателя в 2 раза, удельное давление в местах касания увеличивается в 4 раза. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования двигателя Ванкеля, в котором формирование траектории движения ротора осуществлялось бы без использования внутренней поверхности корпуса, чем обеспечивается резкое увеличение долговечности двигателя и возможность изготовления двигателей большой единичной мощности. Поставленная задача решается тем, что в планетарном роторно-поршневом двигателе, содержащем корпус с циклоидальным сечением внутреннего поверхности, имеющий щели для впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов, ротор, имеющий наружную поверхность в форме треугольника с изогнутыми наружу сторонами и выходной вал, согласно изобретению предусмотрены следующие конструктивные отличия: выходной вал двигателя является одновременно водилом планетарной раздвоенной передачи; центральные солнечные колеса планетарной передачи имеют в центральной части отверстия для прохода водила и неподвижно закреплены в противоположных сторонах корпуса; корончатые колеса планетарной передачи являются сателлитами и неподвижно закреплены на противоположных сторонах ротора; ротор установлен на водиле с возможностью свободного вращения относительно него с совмещением геометрической оси ротора с вращающейся осью водила; сателлиты входят в зацепление с центральными солнечными колесами при передаточном отношении между водилом и ротором, равным 3 : 1. Проведенные патентные исследования показали, что ни в патентной, ни в научнотехнической литературе не имеется сведений о роторно-поршневых двигателях которые имели бы ту же совокупность существенных признаков, что и заявляемый планетарный роторно-поршневой двигатель. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый планетарный роторнопоршневой двигатель соответствует критерию патентоспособности "новизна". Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволил выявить следующий изобретательский уровень: закрепление ротора на сателлите планетарной передачи, имеющей передаточное отношение между этим сателлитом и водилом, равное 1 : 3, обеспечивает резкое увеличение долговечности двигателя и возможность создания двигателей большой единичной мощности. На фиг.1 показана кинематическая схема планетарного роторно-поршневого двигателя, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечный разрез. Планетарный роторно-поршневой двигатель содержит корпус (фиг.1 и 2) и установленный в нем выходной вал 2 с кривошипом 3. Конструктивно кривошип 3 может быть выполнен в форме эксцентрика. Выходной вал 2 является одновременно водилом планетарной раздвоенной передачи, содержащей, кроме того, сателлиты 4, установленные неподвижно на роторе 5 и центральные солнечные колеса 6 (центральными в планетарных передачах называют колеса, имеющие общую ось с водилом), установленные неподвижно в корпусе 1. Ротор 5 имеет возможность вращаться относительно кривошипа 3. При работе планетарного роторнопоршневого двигателя, сложное движение ротора с помощью планетарной раздвоенной передачи преобразуется во вращение ротора вокруг его геометрического центра симметрии и во вращение самого геометрического центра симметрии ротора относительно оси выходного вала 2, причем угловая скорость вращения геометрического центра симметрии ротора в 3 раза больше угловой скорости вращения ротора вокруг его геометрического центра симметрии. Давление газов от камеры сгорания передается через ротор 5 на кривошип 3, а т.к. геометрический центр кривошипа 3, точка приложения силы и ось выходного вала 2 в общем случае не находятся на одной прямой, то возникает плечо сил, заставляющих вращаться выходной вал 2. Вращение выходного вала 2 передается сателлитам 4, которые вращают ротор 5 в ту же сторону, в которую вращается выходной вал 2, но с угловой скоростью, в 3 раза меньшей, чем угловая скорость вращения выходного вала 2. Вершины ротора при этом будут описывать одну и ту же циклоидальную траекторию 3. Сила давления газов всегда направлена к геометрическому центру ротора 5 и вращения его не вызывает, поэтому рабочее усилие через планетарную раздвоенную передачу не передается. Через зубчатые зацепления передаются лишь усилия, создаваемые силами трения между кривошипом 3 и ротором 5 и между уплотнениями 8 ротора и корпусом 1, поэтому механический коэффициент полезного действия планетарного роторно-поршневого двигателя близок к теоретическому пределу, а рабочий ресурс - на порядок превосходит ресурс двигателей внутреннего сгорания обычной конструкции. Балансировка двигателя осуществляется противовесами 9. Так как внутренняя поверхность корпуса в формировании траектории движения ротора не используется, то она практически не изнашивается, на нее действует лишь незначительная сила давления от уплотнений 8. Значительно снижаются требования к технологической точности изготовления и сборки двигателя, так как погрешности могут быть компенсированы относительно большим зазором между ротором и корпусом, а необходимая герметичность обеспечена подвижными уплотнениями, работающими в несравнимо более благоприятных условиях, чем в двигателе Ванкеля. При таком же эксцентриситете кривошипа 3, что и в двигателе Ванкеля, диаметр выходного вала планетарного роторно-поршневого двигателя примерно в два раза больше, поэтому возможно изготовление двигателей большой единичной мощности и двигателей с несколькими роторами, установленными на одном валу. О соответствии предложенного технического решения критерию патентоспособности "промышленная применимость" свидетельствует следующее: 1. Описанный планетарный роторнопоршневой двигатель предназначен для использования в машиностроении. 2. Предлагаемый двигатель может быть реализован в металле с использованием известных стандартных материалов, технологических процессов изготовления и сборки, а также технологического оборудования, т.е. нет необходимости в применении неизвестных средств техники. 3. Предлагаемый планетарный роторнопоршневой двигатель в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, способен обеспечить ожидаемую техническую результативность; увеличение долговечности и единичной мощности.