Роторний двигун

Реферат: Винахід належить до роторних двигунів внутрішнього згоряння. Двигун має еліпсні корпус і порожнину в ньому, яка закрита боковими кришками. У порожнині розміщений ротор з вибірками, в яких рухомо розміщені два поршневі елементи у вигляді здвоєних сегментів зі скосами на вершинах. Ротор також має вибірки для формування камер згоряння. Чотири робочі порожнини між ротором, корпусом і поршневими елементами забезпечують чотири робочі цикли за один оберт ротора. Впускне вікно може бути зміщене за рухом обертання ротора, що забезпечує цикл продовженого розширення. Двигун може працювати як дизельний. Винахід сприяє економічності і зменшенню забруднень у вихлопі. UA 100574 C2 (12) UA 100574 C2 UA 100574 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до роторних машин з коливальними робочими елементами і може бути використаний як двигун внутрішнього згоряння на транспорті, в авіації, дрібних побутових моторів і там, де нині використовуються поршневі мотори в різних модифікаціях, а також може бути використаний як пневмодвигун і компресор, гідронасос і гідродвигун. Широко відомі поршневі машини і двигуни, переважно чотиритактні, що містять корпус, циліндр з поршнем всередині, який має привід від колінчастого вала через шатун, систему газорозподілу у вигляді клапанів з механізмом їх приводу, систему живлення і запалювання, систему охолодження. Дані машини найбільш розповсюджені. Вони мають гарні умови для ущільнень камер стискування і для охолодження, достатньо відпрацьовану технологію виготовлення і прийнятний ресурс. Але їх перетворювальний механізм передбачає втрати на тертя до 25 % і він настільки габаритний і незбалансований, що доводиться виготовлювати двигуни із числом циліндрів від 4 до 8, а в авіації і до 14. Такий захід значно збільшує габарити, число деталей, зменшує надійність в цілому. На даний час поршневі двигуни досягли піку свого розвитку, досягли межі економічності і багато спеціалістів вважають їх морально застарілими. Відомі роторні двигуни пластинчатого і інших типів. Модифікації цих двигунів найрізноманітніші, та практично обмежене застосування вони мають лише у варіантах гідронасосів, бензонасосів короткочасної роботи, наприклад в авіації. Основною причиною є великі втрати на тертя, малий ресурс і великі складнощі із охолодженням. [Роторний двигун внутрішнього згоряння. Селезньов, Зубков і ін., Миколаївський кораблебудівний інститут. F-02 В 53/00, 25.12.1996. Бюл. 4]. Найближчим до заявленого двигуна є роторно-поршневий двигун Ванкеля, який містить корпус із боковими частинами, ротор, розміщений в корпусі, поршень трохоїдної форми, зв'язаний з ротором рухомо, деталі газового ущільнення і змонтовані на корпусі, система газообміну, що містить впускне і випускне вікна, елементи запалювання, систему рідинного охолодження [сайти: "Роторний двигун", "Двигун Ванкеля", "Роторно-поршневий двигун" і т. п.]. Причинами, що перешкоджають отримати необхідний технічний результат, є наступне. Технологія і точність виготовлення основних деталей настільки висока, що існуюче устаткування і інструменти лише небагатьох підприємств здатні на масове виробництво. Невелике спрацювання деталей приводять двигун у неробочий стан, а це недостатність ресурсу. Корпус має форму епітрохоїди, яка дуже складна для виготовлення і роботи газового ущільнення. Великою проблемою залишається ущільнення вершин поршня тому, що ущільнення має працювати поперемінно в діапазоні кутів близько 150 градусів, тобто вгорі, зліва і направо. Хоча існуючі рішення і працюють, та в них відбувається багато втрат, що відображається на економічності, стійкості роботи на малих обертах, проблемах зі змащенням. Поршень виготовлений у формі трохоїди із внутрішньою шестірнею. Це технологічна складність у виготовленні, складнощі зі змащенням і охолодженням і у підсумку недостатній ресурс. Виробництво внутрішніх шестерень не відпрацьоване для автоматичного виготовлення. Крутний момент двигуна сприймає кривошип, невеликий розмір якого створюють великі перевантаження і обмеження ресурсу. Кількість деталей перетворювального механізму завищена. Тому його ККД недостатній, як і ресурс. Один робочий хід відбувається за один оберт вала. При цьому протяжність робочого ходу становить близько 135 градусів. Це вимагає використовувати двигун зі щонайменше двома блоками або(і) з потужними маховиками. Потужні короткі робочі поштовхи також зменшують робочі якості потенційно привабливої схеми. Потрібні матеріали для двигуна міцні, дорогі. Світова промисловість не готова до таких вимог матеріалів і технології. В підсумку двигуни Ванкеля обмежено використовуються через недостатню економічність і невеликий ресурс. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення роторного двигуна, в якому шляхом зменшення числа деталей перетворювального механізму, зменшені технологічні вимоги виготовлення основних деталей і зменшені контактні навантаження, покращено умови роботи ущільнюючих елементів газового ущільнення, забезпечено крутний момент в усіх секторах оборотів ротора, забезпечено високий ККД перетворювального механізму, його компактність і достатній ресурс, надійна робота ущільнюючих елементів і їх достатній ресурс, прийнятний рівень вібрацій і економічність, достатність для використання одним блоком. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому роторному двигуні, що містить корпус із боковими частинами, ротор, розміщений в корпусі, поршень, зв'язаний з ротором рухомо, деталі газового ущільнення і змонтовані на корпусі система газообміну, що містить впускне і випускне вікна, елементи запалювання, систему рідинного охолодження, згідно з винаходом, корпус виготовлений еліпсної форми, ротор виготовлений діаметром по ширині еліпса корпуса, містить дві симетричні вибірки, елементи газового ущільнення, вибірки для формування камер згоряння, два поршневі елементи, що виготовлені у формі здвоєних сегментів зі зрізаними 1 UA 100574 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вершинами і розміщені у вибірках ротора симетрично і рухомо по радіусу вибірки, які разом із ротором і корпусом створюють чотири робочі порожнини, які послідовно забезпечують чотиритактний цикл двигуна і чотири робочі ходи за один оберт ротора. Об'ємний поршневий елемент дозволяє раціонально розмістити елементи ущільнення, наприклад у два ряди, виготовити інші проточки і вибірки, збільшити ступінь стискування робочих камер, центральна частина ротора має жорстке кріплення поршневих елементів, не ослаблена і дозволяє виконати необхідні проточки для системи змащення, вся обертальна система жорстка і проста. Еліпсна поверхня корпуса плавно змінює кривизну поверхні в межах 30 градусів і забезпечує плавність роботи і надійне ущільнення. Габаритні ущільнення вершин поршневих елементів розміщені рухомо, мають достатньо велику площу контакту і компенсують незначні неточності і зношування корпуса і цим забезпечують достатній ресурс двигуна. Наявність крутного моменту в усіх секторах обертання ротора дозволяє використати двигун одним блоком в більшості машин. Всі робочі процеси двигуна відбуваються на периферійній частині ротора, яка достатньо далеко віддалена від центру обертання і тому створюється високий крутний момент при прийнятних контактних навантаженнях, а це основна умова достатнього ресурсу. Конфігурація двигуна достатньо симетрична і тому можливий варіант із реверсивним обертанням ротора, що є потребою у деяких машинах. Зовнішній радіус поршневих елементів однаковий з більшим радіусом еліптичного корпуса. Така конфігурація зовнішньої частини поршневих елементів зменшує об'єм камери стискування до нуля, тобто в цих камерах високий ступінь стискування і можливий дизельний цикл. Поршневі елементи рухаються синхронно в різних напрямках і тим взаємно врівноважують свої інерційні сили. Така кінематика механізму має мінімальний рівень вібрацій при роботі. В камері стиснення корпус може містити вибірку для перепуску полум'я і самозаймання пальної суміші. Виготовлення вибірки в корпусі дозволяє після запуску двигуна продовжувати його роботу без системи запалювання, тобто самозайманням, шляхом перепуску невеликої частки палаючої суміші у попередню порожнину зі стисненою пальною сумішшю. Корпус містить впускне вікно, яке виготовлене зміщеним за рухом обертання ротора, а камери згоряння виготовлені узгодженими із цим для збільшення кратності ступеня розширення відносно кратності ступеня стискування. Конфігурація поршневих елементів забезпечує ступінь стиснення робочих порожнин, що перевищує допустиму. Для того, щоби довести ступінь стиснення до норми, впускне вікно має закриватись дещо пізніше. При цьому ступінь розширення залишається незмінною. Наприклад, при ступені стиснення 10 ступінь розширення становить 20. Такі заходи підвищують економічність до 35 % і в цілому можуть перевершити економічність чотиритактних поршневих двигунів і двигунів Ванкеля. Цьому сприяють невеликі втрати в механізмі на тертя. При цьому знижується максимальна пікова потужність, але, зважаючи на високі загальні показники, для більшості варіантів використання, це прийнятно. Додатково такий цикл суттєво покращує чистоту вихлопу, зменшує температуру вихлопних газів і звук вихлопу, що дуже бажано у зв'язку із жорсткими екологічними вимогами до двигунів. Цикл збільшеного розширення в поршневих двигунах малоефективний через великі втрати на тертя. Тому він використовується обмежено. На фіг. 1 зображена основна проекція роторного двигуна зі знятою кришкою. На фіг. 2 зображене рухоме з'єднання поршневих елементів з ротором. Роторний двигун містить еліпсний корпус 1 з боковими частинами (кришками) 2, ротор 3, розміщений в корпусі, два поршневі елементи 4 і 5, які розміщені у вирізах ротора рухомо. Між корпусом, ротором і поршневими елементами утворені чотири робочі порожнини: 6, 7, 8, 9. Поршневі елементи і ротор містять газові ущільнення: вершинні - 10, бокові 11, 12. Ротор 3 також містить газові ущільнення 13, а також бокові 14. Ротор 3 і поршневі елементи 4 і 5 містять вирізи 15 і 16, що утворюють камери згоряння. Корпус 1 містить впускне 17 і випускне 18 вікна, які можуть бути виготовлені як в тілі еліпсної частини корпуса 1, так і в бокових частинах 2 корпуса. Гніздо запальної свічки 19 і перепускна проточка 20 виготовлені в зоні найбільшого ступеня стискування. В дизельних варіантах отвір запальної свічки 19 використовується для паливної форсунки. Отвори (порожнини) 21 виготовлені для рідинного охолодження і сполучені між собою для циркуляції охолоджувальної рідини. Кріпильні гнізда 22 призначені для закріплення частин корпуса. Ротор 3 обертається за годинниковою стрілкою. Поршневі елементи 4 і 5 містять по два зачепи 23 і 24, що розміщені у відповідних пазах 25 і 26 ротора 3. При обертанні ротора робочі порожнини послідовно змінюють свій об'єм із найменшого до найбільшого два рази за один оберт ротора. При цьому в кожній робочій порожнині за один 2 UA 100574 C2 5 10 оберт ротора відбувається повний чотиритактний цикл. Кожний робочий процес має постійну зону відносно корпуса. За один оберт ротора відбувається чотири повні робочі цикли. Протяжність одного робочого циклу становить близько 90 градусів повороту ротора. Масивний ротор одночасно є інерційним маховиком, який пом'якшує піки крутного моменту і його відсутність в чотирьох точках. Через впускне вікно 17 пальна суміш надходить в розширену порожнину 7. Відбувається процес впуску. Далі порожнина стискується і разом переміщується вгору. Процес стиснення. В момент найбільшого стиснення пальна суміш запалюється і відбувається швидкий процес горіння. Зростає тиск. Ротор далі обертається за годинниковою стрілкою. Лівий поршневий елемент 4 вгорі зрівнюється з радіусом ротора, а правий поршневий елемент 5 вгорі виходить все більше і більше за межі діаметра ротора. Тиск газу діє на цю ділянку поршневого елемента, створюючи крутний момент на роторі на протязі 90 градусів повороту ротора. Потім наступна порожнина створює крутний момент аналогічним чином. І так послідовно відбуваються всі процеси в чотирьох робочих порожнинах, створюючи потужність на вихідному валу ротора. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 1. Роторний двигун, що містить корпус із боковими частинами, ротор, розміщений у корпусі, поршень, зв'язаний з ротором рухомо, деталі газового ущільнення і змонтовані на корпусі система газообміну, що містить впускне і випускне вікна, елементи запалювання, систему рідинного охолодження, який відрізняється тим, що корпус має еліпсну форму, ротор виготовлений діаметром по ширині еліпса порожнини у корпусі і містить дві симетричні вибірки, елементи газового ущільнення, вибірки для формування камер згоряння, два поршневі елементи, що виготовлені у формі здвоєних сегментів зі зрізаними вершинами, які розміщені у вибірках ротора симетрично і рухомо по радіусу вибірки, які разом із ротором і корпусом створюють чотири робочі порожнини, які послідовно забезпечують чотиритактний цикл двигуна і чотири робочі ходи за один оберт ротора. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що зовнішній радіус поршневих елементів дорівнює більшому радіусу еліптичного корпуса. 3. Двигун за п. 2, який відрізняється тим, що в камері стиснення корпус може містити вибірку для перепуску полум'я і самозаймання пальної суміші. 4. Двигун за п. 3, який відрізняється тим, що корпус містить впускне вікно, яке виготовлене зміщеним за рухом обертання ротора, а камери згоряння виготовлені узгодженими із цим для збільшення кратності ступеня розширення відносно кратності ступеня стискування. 3 UA 100574 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 4