Роторний двигун

1. Роторний двигун, що містить корпус з циліндричною порожниною, в якій розташовано встановлені на співвісних валах секторні лопаті, поміщений у нерухомому корпусі та встановлений на вихідному валу механізм перетворення руху лопатей, що включає двоплечий важіль з двома роликами, закріпленими на важелі з можливістю обер 3 37041 кою встановлено ролики суміжних кінців пар важелів. При цьому куліса має кільцевий копір з двома ділянками профіля різної висоти для забезпечення коливання куліси в площині важелів. Такий роторний двигун має проблеми, що пов'язані з низькою надійністю та невисокою довговічністю механізму перетворення руху лопатей через конструктивні недоліки, зокрема: - через наявність двох осей обертання механізму перетворення руху лопатей; - через змінний контакт роликів двоплечих важелів з доріжками куліси при знакозмінному навантаженні при роботі двигуна (підвищена шумність); - через складний рух куліси в різних площинах; - через високі осьові навантаження куліси, що виникають при нахилі куліси, яка спирається на різні за висотою ділянки копіра; - через складність урівноваження механізму при змінній швидкості і навантаженні роторного двигуна (підвищена вібрація та шумність); - низький ККД механізму. Ставиться задача удосконалення роторного двигуна, в якому зміна схеми механізму перетворення руху секторних лопатей дозволяє знизити ударні навантаження на конструктивні елементи двигуна і тим самим збільшити довговічність і надійність роботи двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що у роторному двигуні, який містить корпус з циліндричною порожниною, у якій розташовано встановлені на співвісних валах секторні лопаті, поміщений у нерухомому корпусі та встановлений на вихідному валу механізм перетворення руху лопатей, що включає двоплечий важіль з двома роликами, закріпленими на важелі з можливістю обертальнопоступального руху при взаємодії кожного з відповідною доріжкою, виконаною в корпусі куліси, згідно з корисною моделлю, вихідний вал виконано з кривошипом, на мотилевій шийці якого встановлено двоплечий важіль з шестірнею радіусом R, виконаною на його циліндричній частині і контактуючою з шестірнею внутрішнього зчеплення радіусом 2R, закріпленою в нерухомому корпусі механізму перетворення руху лопатей, при цьому кожний співвісний вал секторних лопатей розміщено співвісно вихідному валу і жорстко з'єднано з окремою кулісою. На вихідному валу, співвісних валах секторних лопатей та на двоплечому важелі застосовано підшипники кочення. У даному технічному рішенні пропонується застосувати як привід секторних лопатей кривошипно-кулісний механізм, з'єднаний із зубчатою передачею. Використання такої схеми приводного механізму знижує кількість ударних навантажень в самому механізмі, що приводить до зниження шумності роботи і підвищує надійність роботи двигуна. Заміна конструктивного вузла зі складними коливальними рухами і значною кількістю контактних елементів із зазорами (куліса без жорсткого закріплення, два важелі з чотирма роликами) на конструктивний вузол з більшістю жорстких з'єднань (шестірня-важіль, куліса-вал секторної лопаті замість двох важелів з чотирма роликами), зменшення кількості контактуючих поверхонь із зазо 4 рами (один важіль з двома роликами) дозволяє значно знизити зношення від ударних навантажень, підвищити довговічність двигуна, зменшити шумність роботи останнього. У порівнянні з прототипом довговічність двигуна можна збільшити у 23 рази. Крім того, перехід від двох валів до одного і розміщення більшості деталей на одній осі спрощує умови балансування двигуна. Вибір оптимальних співвідношень розмірів важеля, кривошипа, лопатей дозволяє оптимізувати робочий процес в порожнині двигуна з метою збільшення ККД останнього. Вибір діаметра зовнішнього зубчатого колеса вдвічі більшим за діаметр внутрішнього зубчатого колеса обумовлений необхідністю забезпечення синхронізації руху секторних лопатей. При цьому вихідний вал обертається вдвічі повільніше за секторні лопаті, що надає можливість у деяких випадках відмовитись від застосування понижуючого редуктора, а застосування конічної зубчатої передачі дозволить відмовитись і від упорного підшипника. Використання у вузлах тертя підшипників кочення також знижує витрати на тертя і веде до збільшення ККД двигуна в цілому. До того ж, застосування підшипників кочення вирішує проблему охолодження валів та лопатей. Роторний двигун і його робота схемно представлені на малюнках. На Фіг.1 показано двигун, подовжній переріз; на Фіг.2 - переріз по А-А на Фіг.1; на Фіг.3 - положення лопатей в початковий момент при повороті вихідного вала на кут 0°, коли кут між лопатями мінімальний; на Фіг.4 - положення лопатей, коли кут між ними дорівнює 90°, а вихідний вал повернутий на кут 45°; на Фіг.5 - положення лопатей в початковий момент, коли вихідний вал повернутий на кут 90° і кут між лопатями мінімальний; на Фіг.6 - положення лопатей, коли кут між ними дорівнює 90°, а вихідний вал повернутий на кут 135°; на Фіг.7 - положення осі важеля 15 при здійсненні чотирьох циклів двигуна і повороті вихідного вала від 0° до 360°. Роторний двигун (Фіг.1, Фіг.2) містить корпус 1 з циліндричною порожниною, в якій попарно протилежно розміщені лопаті 2-5, що попарно протилежно жорстко встановлені на відповідних співвісних вала х 6 і 7. Лопаті 2, 3 через вал 6 жорстко зв'язані з кулісою 8, в якій виконано доріжку 9. Лопаті 4 та 5 через вал 7 жорстко зв'язані з кулісою 10, в якій виконано доріжку 11. На шийці кривошипа (збірного) вихідного вала 12 на підшипниках 13, 14 встановлено двоплечий важіль 15. На плечах важеля 15 на рівній відстані від осі обертання вихідного вала 12 запресовані напівосі 16 і 17, на яких розміщені ролики 18, 19 з можливістю здійснення обертально-поступальної ходи у відповідних доріжках 9, 11 куліс 8, 10. На циліндричній ділянці важеля 15 виконано шестірню 20 зовнішнього зчеплення радіусом R з можливістю взаємодії з шестірнею 21 внутрішнього зчеплення радіусом 2R, встановленою в нерухомому корпусі 22 механізму перетворення руху лопатей. В корпусі 1 з циліндричною порожниною встановлено запалювальну свічку 23 та виконані впускне 24 і випускне 25 вікна. Вихідний вал встановлено на підшипниках 26, 27, а співвісні вали 6, 7 - на підшипниках 28, 29, 30. 5 37041 Роторний двигун працює таким чином. У початковий момент лопаті 2-5, обертаючись за годинниковою стрілкою, займають положення, показане на Фіг.3, при цьому: а) в просторі між лопатями 4 і 3 закінчилося всмоктування робочої суміші з впускного вікна 24; б) в просторі між лопатями 2 і 5 почався випуск відпрацьованих газів через випускне вікно 25; в) в просторі між лопатями 3 і 5 випуск продовжується і підходить до завершення через вікно 25; г) в просторі між лопатями 4 і 2 від запалювальної свічки 23 запалюється робоча суміш. На Фіг.3, 5, 7 показано "проміжні точки", тобто положення нестійкої рівноваги (ПТ1 - на Фіг.3, 7; ПТ2 - на Фіг.5, 7), коли проекції l1 і l2 плеч важеля 15 на лінію, що з'єднує осі обертання роликів 18 та 19, є рівними. При обертанні валів двигуна проекції плеч І1 і І 2 важеля 15 змінюються і час від часу набувають максимального або мінімального значення, а в "проміжних точках" стають рівними. Механізм перетворення руху лопатей долає "проміжні точки" за рахунок інерції махових мас, оскільки в ці моменти кругова швидкість роликів 18 і 19 однакова і зменшена, але не дорівнює нулю. При цьому лопаті 2-5 обертаються за годинниковою стрілкою. У механізмі перетворення руху лопатей при повороті вихідного валу на 360° мають місце чотири "проміжні точки", позначені на Фіг.7 як ПТ1, ПТ2, ПТ3 та ПТ4 на переривчастих лініях, що з'єдн ують центри роликів 18 і 19. Оскільки лопать 2 зв'язана через вал 6 з кулісою 8, то після проходження "проміжної точки" ПТ1 під тиском газів, що запалились, переміщується по еліпсоїді а-b (Фіг.7) встановлений на напівосі 16 ролик 18, що знаходиться в доріжці 9 куліси 8. При цьому ролик 18 рухається з прискореною швидкістю. Одночасно з цим, встановлений на напівосі 17, ролик 19 рухається по завершальній ділянці еліпсоїди d-с в точку с з сповільненою швидкістю. Ролик 19, що знаходиться в доріжці 11 куліси 10, переміщує сповільнено секторні лопаті 4 та 5, які з'єднані через вал 7 з кулісою 10. Важіль 15, встановлений на підшипниках 13 та 14, здійснює круговий рух за годинниковою стрілкою на мотилевій шийці кривошипа вихідного валу 12. Одночасно, виконана на циліндричній ділянці важеля 15, шестірня 20, взаємодіючи з нерухомою шестернею 21, обертає через кривошип вихідний вал 12 проти годинникової стрілки. Лопать 2, здійснюючи робочий хід, передає зусилля через свою кулісу 8 на розміщений в її доріжці 9 ролик 18, швидкість якого сягне максимального значення в момент, коли лопаті 2 і 4 розійдуться на кут 90° між собою (Фіг.4). При цьому ви хідний вал 12 повернеться на кут 45° від початкового положення, зображеного на Фіг.3, а важіль 15 займе нове положення, коли вісь між роликами 18 і 19 співпадає з віссю максимального діаметру еліпсоїди (с-d) руху ролика 19 (Фіг.7). Плече ролика 18, який рухається з максимальною швидкістю, стає максимальним і дорівнює І1= І0+e, а плече ролика 19, що рухається з мінімальною швидкістю, зменшується до мінімального значення і дорівнює І2=І0e Ці процеси продовжуються до тих пір, поки лопаті 2-5 займуть положення, відображене на Фіг.5. 6 При цьому вихідний вал 12 повернеться на кут 90° від положення, зображеного на Фіг.3, а «проміжна точка» ПТ2 розташується на лінії, що з'єднує осі роликів 18 та 19 поблизу точок с і b (Фіг.5, Фіг.7). Положення лопатей 2 - 5, що зображені на Фіг.3 та Фіг.5, характеризуються наступними процесами між відповідними лопатями: а) 4 і 2 - згорає і розширюється робоча суміш; б) 2 і 5 - випуск відпрацьованих газів через випускне вікно 25; в) 3 і 5 - закінчилось всмоктування свіжого заряду робочої суміші через вікно 24; г) 3 і 4 - від запальної свічки 23 відбувається запалювання робочої суміші, що заповнила об'єм порожнини в попередньому такті. Слід відзначити, що на початку процесу згорання секторні лопаті 4 і 2 рухаються так, що об'єм між ними майже не змінюється і згорання відбувається з максимальним ККД термодинамічного циклу. При цьому максимальне зусилля, створююче крутний момент, діє достатньо тривалий час, що дозволяє зменшити витрати палива, тобто збільшити ККД двигуна. Далі лопаті 4 і 2 рухаються з різними швидкостями так, що об'єм між ними швидко збільшується, відбувається розширення газів. При цьому до відкриття випускного вікна 25 тиск знижується настільки, що не виникає різкого падіння тиску при відкритті випускного вікна 25, а це сприяє зменшенню шумності від газодинамічних процесів вихлопу. Експериментальні випробування підтвердили відсутність звукових "хлопків", характерних при витіканні відпрацьованих газів через вихлопну трубу в існуючих двигунах. "Проміжну точку", показану на Фіг.5, коли плечі І1 і І2 важеля 15 рівні, механізм перетворення руху лопатей долає за рахунок інерції махових мас, повертаючи лопаті за годинниковою стрілкою. Під тиском газів, що запалились, лопать 4, яка зв'язана через вал 7 з кулісою 10, переміщує ролик 19, що знаходиться в доріжці 11 куліси 10, по еліпсоїді с-d (Фіг.7) з прискореною швидкістю. Зусилля, прикладене до ролика 19, через плечі важеля 15 переміщує ролик 18 по завершальній ділянці еліпсоїди а-b в точку b із сповільненою швидкістю. Ролик 18, введений в доріжку 9 куліси 8, переміщує сповільнено секторні лопаті 2, 3, з'єднані через вал 6 з кулісою 8. Важіль 15, змонтований на підшипниках 13 та 14, продовжує здійснювати круговий рух на мотилевій шийці кривошипа вихідного валу 12 за годинниковою стрілкою. Одночасно, виконана на циліндричній ділянці важеля 15, шестірня 20, взаємодіючи з нерухомою шестернею 21, обертає через кривошип вихідний вал 12 проти годинникової стрілки. Здійснюючи робочий хід, лопать 4 передає зусилля через свою кулісу 10 на введений в її доріжку 11 ролик 19, швидкість якого сягне максимального значення в момент, коли лопаті 4 і 3 розійдуться на кут 90° між собою (Фіг.6). При цьому вихідний вал 12 повернеться на кут 135° від положення, зображеного на Фіг.3, та на кут 45° від положення, зображеного на Фіг.5, а важіль 15 займе положення, коли вісь між центрами роликів 19 і 18 співпадає з віссю максимального діаметра еліпсоїди а-b руху ролика 18. Вказане на Фіг.6 плече ролика 19, який рухається з максимальною швидкістю, максимальне і 7 37041 дорівнює І2=І0+e, а плече ролика 18, що рухається з мінімальною швидкістю, зменшується до мінімального значення і дорівнює І2= І0-e. Далі процеси між лопатями відбуваються в наступній послідовності: а) 3 і 4 - згорання і розширення згораючих газів; б) 4 і 2 - випуск відпрацьованих газів попереднього такту через вікно 25; в) 2 і 5 - всмоктування свіжого заряду робочої суміші з вікна 24; г) 5 і 3 - стиснення робочої суміші, що заповнила об'єм в попередньому такті, продовжується до тих пір, поки лопаті 2-5 займуть положення наступної "проміжної точки" ПТЗ на Фіг.7. При цьому вихідний вал 12 буде повернутий на кут 180° відносно "проміжної точки" ПТ1. Далі двигун через кожні 90° повороту ви хідного валу 12 працює аналогічно описаному для положень 90° та 180°, повторюючи цикл, обумовлений закономірністю переміщення по еліпсоїдах а-b і с-d роликів 18 і 19 важеля 15 в послідовності, відображеній на Фіг.7. З аналізу кінематики механізму перетворення руху лопатей (Фіг.7) можна дійти висновку, що використання для руху роликів 18, 19 більш "вузьких" 8 еліпсів дозволяє позитивно впливати на збільшення ККД робочого циклу двигуна. В такому випадку роторний двигун можна порівняти з довгоходовим ДВЗ, обладнаним КШМ, якому притаманні підвищені значення ККД за рахунок зменшення часу на непродуктивні витрати поблизу мертвих точок. Використання механізму перетворення руху лопатей з максимальною кількістю жорстких з'єднань деталей дозволяє зменшити кількість навантажень на окремі деталі, тобто зменшити знос останніх і зменшити шумність роботи двигуна. Окрім того шумність роботи знижується і за рахунок зменшення шуму ви хлопу, оскільки досягається більш повне розширення газів під час робочого ходу і випуск відпрацьованих газів відбувається при знижених значеннях тиску. Двигун з пропонованим приводом лопатей реалізує змінний рух лопатей з урахуванням руху об'єднаного кривошипно-кулісного механізму і зубчатої передачі. При цьому в положеннях на Фіг.4, Фіг.6 обертаючий момент на вихідному валу 12 в чотири рази може перевищувати той, що створюється на валах лопатей при робочому ході, а це свідчить про значне поліпшення пускових характеристик. 9 Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 37041 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601