Роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором

Реферат: Роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором складений з вільнопоршневого газогенератора, який є постачальником робочих газів, та загальної камери спалювання горючої суміші, камери накопичення робочих газів, в якій вмонтований патрубок видачі робочих газів. На отворі змонтований автоматичний пульсуючий клапан. До патрубка приєднано регулятор потужності та швидкості обертів вала двигуна та висувний вал, який розташований на осі симетрії робочих камер. Додатково двигун має корпус, змонтований з орбітального циліндра та з бокових дисків. В осях бокових дисків виконані отвори, в яких запресовані підшипники, на яких обертається вал двигуна. На орбітальному циліндрі міцно змонтовано три розподільчі коробки під кутом 120º відносно осі вала двигуна, які мають корпус з трьома відсіками, при цьому в двох розміщені клапани зі штоками, а в центральному розміщена дискова засувка зі штоком та зворотною пружиною. Засувки розділяють циліндр на чотири секції під кутом 90º відносно осі вала двигуна. В орбітальному циліндрі обертаються чотири поршні трапецеїдальної форми з ущільнюючими елементами. Кожен поршень міцно з'єднаний з диском ротора та валом двигуна. Диск ротора має ущільнюючий елемент з дисками корпуса двигуна. Всі деталі та вузли двигуна виконані з металу середньої стійкості до механічних, хімічних, температурних дій, а дискова засувка, клапани, штоки, поршні виконані з металу підвищеної механічної стійкості. UA 98268 C2 (12) UA 98268 C2 UA 98268 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід "Роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором" належить до двигунів внутрішнього спалювання роторно-поршневого типу та може бути використаний в усіх галузях машинобудування. Відомі роторно-поршневі чотиритактні двигуни внутрішнього згорання типу «Венкель» мають корпус з еліптичною робочою камерою, камерою спалювання робочих газів, та ротор, який міцно з'єднаний з висувним валом з ущільненими елементами. Велику цікавість конструкції роторно-поршневих двигунів виявлено у винаході по авторському свідоцтву № 316251 Росії, яке надруковано 01.10.1971 року в бюлетені № 29. Цей винахід має корпус з профільованою робочою камерою та камерою спалювання горючої суміші з віссю симетрії, двовершинний ротор з ущільненими елементами та висувним валом, розміщеним на осі симетрії робочих камер. Цей винахід прийнятий як аналог запропонованому винаходу «Роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором». Найсуттєвішими недоліками двигунів внутрішнього спалювання роторно-поршневої дії є те, що: а) затрати значної частини енергії на три підготовчі такти і, як висновок цього, низький індикаторний ККД (коефіцієнт корисної дії), який завжди дорівнює 0,25-0,28; б) складна конструкція двигуна та його окремих деталей і вузлів та відносно висока металоємність на одиницю потужності; в) особливі вимоги до матеріалу, з якого виготовлені елементи та деталі двигуна до жаростійкості, хімічної стійкості, до механічних та температурних дій; г) що його робочий процес складається з чотирьох тактів, з яких тільки один є робочим; д) конструктивні особливості та принцип роботи не дозволяють регулювати потужність та кількість обертань вала в широкому діапазоні, підтримувати крутний момент на максимальному рівні впродовж повного 100 % обертання вала; е) не вирішені питання реверса вала двигуна. Задачею пропонованого винаходу «Роторно-поршневого двигуна з вільнопоршневим газогенератором» є метод зміни кінематичної схеми двигуна внутрішнього спалювання, яким можна досягти: а) значного покращення конструкції та принципу роботи орбітального блока циліндра, досягти безперервного робочого процесу поршнів двигуна, а це дає можливість скасувати всі підготовчі такти, при цьому значно збільшити потужність і ККД двигуна; б) вирішити питання підтримки крутного моменту на максимальному рівні роботи в процесі повного 100 % обертання вала шляхом безперебійної подачі в камери циліндрів двигуна робочого газу з необхідним тиском та обсягом; в) значно покращити маневреність двигуна шляхом вирішення питання реверса вала відбору потужності, а також регулювання потужності та кількості обертів вала в широкому діапазоні; г) щоб на поршні двигуна діяла ефективна сила робочих газів в процесі всього робочого ходу кожного поршня, при цьому на вал одразу діють дві (або три) сили від двох або трьох поршнів, всі ці дії значно підвищують потужність та ККД двигуна. Ця задача вирішується в пропонованому роторно-поршневому двигуні з наступною кінематичною схемою: - основним вузлом в запропонованому двигуні є «Вільнопоршневий газогенератор», який запатентований як винахід № 90550 та зареєстрований в Державному реєстрі патентів України 11.05.2010 року, в якому розташована камера спалювання горючої суміші одна для всіх циліндрів та накопичення робочих газів в камері постійного тиску, при цьому в двигунаханалогах камери спалювання розташовані над поршнями кожного циліндра: - безперервний робочий процес та підтримка крутного моменту на максимальному рівні роботи в період повного 100 % оберту вала відбору потужності, здійснений безперебійною подачею робочих газів з вільнопоршневого газогенератора по каналах через регулятор потужності та швидкості, реверсний перемикач та розподільчі коробки, в камери циліндрів орбітального типу, ротор якого змонтований з поршнів, які за допомогою диска ротора міцно з'єднані з валом відбору потужності. В циліндрі пересуваються чотири поршні, віссю симетрії яких є вал відбору потужності. Сам циліндр орбітального типу має три розподільчі коробки, які розподіляють робочий газ у секції циліндрів та відводять відпрацьований газ із секцій циліндрів, при цьому кожна розподільча коробка має дискову засувку, які розбивають циліндр на чотири секції; 1 UA 98268 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - реверс вала відбору потужності здійснюється реверсним перемикачем, який має систему каналів для підключення до постачальника та споживача потрібної енергії (робочих газів), який має корпус циліндричної форми з п'ятьма камерами; камера робочих газів, камера відпрацьованих газів та три змінні камери, які перекриваються двома спареними клапанами; - регулювання потужності та кількості обертів вала відбору потужності виконується регулятором пробкового типу, стійким до роботи в середовищі з підвищеним тиском та значною температурою. Пропонований «Роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором» зображений на наступних кресленнях : - фігура - 1, на якій зображений роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором в конструкційному вигляді, при цьому газогенератор зображений без детальної цифрової розшифровки, а розміщення приладів регулятора потужності та швидкості обертання вала та реверсного перемикача, умовно не зображені; - фігура - 2, на якій розміщений роторно-поршневий двигун з розрізом А-А, при цьому частина по горизонтальній осі показана в розрізі, а друга частина без розрізу; - фігура - 3, на якій розміщена розподільча коробка робочих та відпрацьованих газів з дисковою засувкою в розрізі по горизонтальній осі; - фігура - 4, на якій зображена технологічна схема роботи роторно-поршневого двигуна з вільнопоршневим газогенератором, при цьому всі канали подачі робочого газу та канали відводу відпрацьованих газів, для більшої наочності, зображені умовно, а газогенератор, регулятор потужності та швидкості обертання вала та реверсний перемикач «3» зображені без цифрової розшифровки; - фігура - 5, розміщений розріз Б-Б роторно-поршневого двигуна. В кінематичну та конструктивну схему роторно-поршневого двигуна з вільнопоршневим газогенератором входять такі основні вузли та деталі: - вільнопоршневий газогенератор (дивись патент України на винахід № 90550), як подача робочих газів двигуну; - регулятор потужності та швидкості обертів вала, який з'єднаний забірним каналом з вільнопоршневим газогенератором; - реверсний перемикач, з'єднаний каналом з регулятором потужності, в свою чергу він виконує дії, пов'язані зі зміною обертів вала двигуна з прямих на зворотні; - розподільчі коробки з дисковою засувкою, які розміщені на орбітальному циліндрі (в кількості три штуки) під кутом 120 градусів відносно вала двигуна, та які призначені для розподілу робочих газів та відводу відпрацьованих газів з циліндра двигуна, а також для розділення орбітального циліндра на чотири секції під кутом 90 градусів відносно осі вала двигуна; - орбітальний циліндр з чотирма поршнями, при цьому всі чотири поршні міцно з'єднані диском ротора з валом двигуна, а кожен поршень та диск ротора мають ущільнюючі елементи; - корпус двигуна, який змонтований з орбітального циліндра бокових дисків, при цьому в корпусі посаджені підшипники, на яких обертається вал двигуна. Конструкція пропонованого двигуна відображена на фіг.1-фіг.5, при цьому на кресленнях зображені основні робочі вузли та деталі двигуна, а другорядні вузли, такі як система охолодження двигуна, змащення мастилом, кріплення та деякі інші вузли, на кресленнях не відображені. Всі деталі та вузли двигуна виконані з металу середньої стійкості до механічних, хімічних, температурних дій, а дискова засувка, клапани, штоки, поршні виконані з металу підвищеної механічної стійкості. Конструкція самого роторно-поршневого двигуна зображена на фіг.1-фіг.5 і має наступні вузли та деталі: 1 - вільнопоршневий газогенератор, достовірно описаний в патенті на винахід, - є виробником та постачальником робочих газів в секції циліндра орбітального типу двигуна з розрахунковим тиском і в потрібному обсязі; 2 - регулятор потужності та швидкості обертів вала (зафіксований в патенті на винахід); 3 - реверсний перемикач, який дозволяє переключати оберти вала з прямих на зворотні; 4 - орбітальний циліндр, який разом з боковими дисками «5» утворюють корпус двигуна; 5 - бокові диски, які мають підшипники, в яких обертається вал «13» двигуна; 6 - диск ротора, який міцно з'єднаний з поршнями та валом двигуна та який має ущільнений елемент; 2 UA 98268 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 7 - чотири поршні, які обертаються в орбітальному циліндрі, та мають трапецеїдальну форму, при цьому кожен поршень має по два ущільнюючих елементи; 8 - ущільнюючий елемент (дві штуки) кільцевого зразку між диском ротора «6» та боковими дисками корпуса двигуна; 9 - ущільнюючі елементи кільцевого зразка між поршнями та циліндром двигуна; 10, 11 - система каналів для подачі робочих газів в циліндр та відводу відпрацьованих газів з циліндра двигуна; 12 - вал двигуна, який міцно з'єднаний з диском ротора та з поршнями двигуна, та який обертається на підшипниках, які запресовані у бокові диски корпусу; 13 - корпуси газорозподільних коробок (три штуки), які міцно змонтовані з орбітальним циліндром та розміщені під кутом 120 градусів з центром осі вала та який має три секції (дві для клапанів і центральна для дискової засувки); 14 - зв'язуюча планка двох штоків «18» клапанів газорозподілу та штока «17», при цьому цей шток має возвратну пружину «16»; 15 - дискова засувка, яка міцно з'єднана зі штоком «17», а сам шток має зворотну пружину «16». Роботу роторно-поршневого двигуна можна розбити на три етапи: а) вироблення, накопичення робочих газів та видача споживачу; б) розподіл робочих газів; в) здійснення робочого процесу. Вироблення та видача робочих газів проходить у вільнопоршневому газогенераторі «1», при цьому цей робочий газ по каналу надходить в регулятор потужності та швидкості обертань вала «2», при цьому на етапі пуску вільно-поршневого газогенератора, регулятор потужності та швидкості обертів вала повинен бути зачинений. При відкритті регулятора «2» робочий газ пройде по каналу в реверсний перемикач «3», а з реверсного перемикача системою розподільчих каналів та патрубків «10» та «11» в розподільчі коробки «13» роторно-поршневого двигуна, при цьому робочий газ надходить одразу у всі три коробки. Кожна коробка має дві секції, одна для прийому робочих газів, а друга для відводу відпрацьованих газів, при цьому обидва клапани відчиняються одночасно, разом з цим процесом проходить етап опускання дискової засувки «15». Робочий газ надходить в циліндр «4» орбітального типу, який має чотири секції, та в якому переміщуються чотири поршні трапецеїдальної форми «7», при цьому, якщо в одній секції поршень знаходиться в початковій стадії завантаження робочими газами, то в другій секції в максимальному завантаженні поршня, а в третій секції в кінцевій стадії завантаження, в четвертій секції в початковій стадії завантаження поршня робочими газами. Одночасно з надходженням робочих газів в секції циліндра, проходить процес відводу відпрацьованих газів із секцій циліндра в тій же послідовності. Велику роль в роботі двигуна має реверсний перемикач «3». Він в блоці пропонованого двигуна працює наступним чином: - робочий газ із газогенератора через регулятор «2» по каналу надходить в камери реверсного перемикача, а далі через систему труб та каналів «10» і «11» в розподільчі коробки, а далі в секції циліндра. Відпрацьовані гази з секцій циліндра по системі каналів «10» та «11» відводяться в реверсний перемикач, а з реверсного перемикача через газовідвідний патрубок у вихлопну трубу. Для того, щоб здійснити зворотний хід обертів вала двигуна, достатньо зробити перемикання клапанів реверсного перемикача з положення, як вони показані на фігурі - «4» в нове положення. Потрібно відзначити, що робочий процес, який проходить в секціях циліндра, з почерговим завантаженням робочих газів і тиском його на поршні дозволяє валу двигуна обертатись плавно без ривків, з достатньо великим крутним моментом, як в прямому обертанні вала двигуна, так і в зворотному стані. Перелік використаної інформації: 1. «Теорія механізмів та машин, деталі машин» Машина М.М. 2. «Двигуни внутрішнього спалювання, автомобілі, трактори та їх експлуатація» Сєргєєв В.П. 3. «Вантажний автомобіль ЗІЛ-130» Єршов В.П. 4. «Гідравлічні методи в СРСР і за кордоном» Маракін Н.Ф. 5. «Гальма локомотивів» Крилов. 6. «Використання палива та мастильних матеріалів» Бобров Н.Н. 7. «Безшатунні двигуни внутрішнього спалювання» Баландін С.С. 3 UA 98268 C2 5 8. Авторське свідоцтво № 118471 «Двигуни внутрішнього спалювання з безшатунним механізмом». 9. Авторське свідоцтво № 316251МПК 02653/00 «Двигун внутрішнього спалювання роторнопоршневої дії». 10. Патент України на винахід № 90550 «Вільнопоршневий газогенератор». 11. Інформація та технічні журнали. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 1. Роторно-поршневий двигун з вільнопоршневим газогенератором, який складається з вільнопоршневого газогенератора, який є постачальником робочих газів, та загальної камери спалювання горючої суміші, камери накопичення робочих газів, в якій вмонтований патрубок видачі робочих газів, а на отворі змонтований автоматичний пульсуючий клапан, при цьому до патрубка приєднано регулятор потужності та швидкості обертів вала двигуна та висувний вал, який розташований на осі симетрії робочих камер, який відрізняється тим, що додатково має корпус, змонтований з орбітального циліндра та з бокових дисків, при цьому в осях бокових дисків виконані отвори, в яких запресовані підшипники, на яких обертається вал двигуна, а на орбітальному циліндрі міцно змонтовано три розподільчі коробки під кутом 120º відносно осі вала двигуна, які мають корпус з трьома відсіками, при цьому в двох з них розміщені клапани зі штоками, а в центральному розміщена дискова засувка зі штоком та зворотною пружиною, причому засувки розділяють циліндр на чотири секції під кутом 90º відносно осі вала двигуна, а в орбітальному циліндрі обертаються чотири поршні трапецеїдальної форми з ущільнюючими елементами, при цьому кожен поршень з'єднаний з диском ротора та валом двигуна, а диск ротора має ущільнюючий елемент з дисками корпуса двигуна, причому всі деталі та вузли двигуна виконані з металу середньої стійкості до механічних, хімічних, температурних дій, а дискова засувка, клапани, штоки, поршні виконані з металу підвищеної механічної стійкості. 2. Роторно-поршневий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що кожна розподільча коробка газів має отвір подачі робочих газів в секцію циліндра та отвір відводу відпрацьованих газів з секції циліндра, а також патрубок прийому робочих газів та патрубок відводу відпрацьованих газів, при цьому обидва патрубки з'єднані каналом з реверсним перемикачем, який, в свою чергу, з'єднаний каналом через регулятор потужності та швидкості обертання вала з вільнопоршневим газогенератором. 3. Роторно-поршневий двигун за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що додатково містить реверсний перемикач, який має циліндричний корпус з п'ятьма камерами, які взаємодіють з двома клапанами, з'єднаними зі штоком, а також мають чотири патрубки: патрубок приймання робочих газів, патрубок відводу відпрацьованих газів у вихлопну трубу та два патрубки від розподільчих коробок роторно-поршневого двигуна. 4 UA 98268 C2 5 UA 98268 C2 6 UA 98268 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 7