Изобретения относятся к роторным двигателям с эксцентриковым валом. Роторный двигатель содержит корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью. По оси рабочей полости расположен эксцентриковый вал. Ротор выполнен в виде треугольной призмы, по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала. Ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения. Передаточный механизм обеспечивает при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного объема и обеспечивает соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному». Один из элементов передаточного механизма неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса. Эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов. Эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка. Диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала. Рабочая часть кулачка выполнена с двумя опорными точками в профиле. Техническим результатом является снижение токсичности выхлопных газов, увеличение срока эксплуатации, мощности и экономичности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретения относятся к области роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые часто называют роторными двигателями внутреннего сгорания (для краткости - роторные двигатели) или двигателями Ванкеля (см., например, «Советский Энциклопедический Словарь», Москва, 1987, с.193). Более точно, предлагаемый роторный двигатель относится к разновидности роторных двигателей, рабочая полость которых имеет в сечении овал либо близкую к овалу фигуру в виде контура цветка с двумя «лепестками», ротор в форме призмы имеет три одинаковых рабочих поверхности (грани), а предлагаемый эксцентриковый вал предназначен для использования в предлагаемом роторном двигателе, и, соответственно, относится к эксцентриковым валам (т.е. к передаточным валам, снабженным эксцентриками), предназначенным для использования в роторных двигателях.
Особенность двигателей Ванкеля заключается в том, что многогранный ротор, связанный с эксцентриковым валом (аналогом коленчатого вала) и выполняющий функцию, аналогичную функции поршня шатунно-поршневых двигателей, при движении циклически описывает своими ребрами, разделяющими рабочие поверхности, так называемую эпитрохоидальную поверхность. При этом каждая грань ротора и ближайший к ней участок внутренней овальной поверхности рабочей полости корпуса вместе с торцовыми поверхностями рабочей полости образуют замкнутую полость - рабочую камеру - переменного объема, в которой попеременно совершаются две стадии расширения и две стадии сжатия за один полный оборот ротора, что соответствует известному четырехтактному циклу работы шатунно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Для поддержания герметичности рабочих камер установлены уплотнительные элементы, в частности, в ребрах призмы ротора. Цикличность движения ротора обеспечивается передаточным механизмом, выполненным, например, в виде пары шестерен, большая из которых, закрепленная на роторе, имеет внутреннее расположение зубьев и обкатывается вокруг меньшей шестерни, закрепленной на корпусе двигателя коаксиально с эксцентриковым валом. Возможен выбор такого передаточного числа этого механизма, что каждая точка ротора за время одного оборота ротора вокруг своей оси описывает целое число k сегментов известной в геометрии кривой линии - эпитрохоиды. По эпитрохоиде, циклически описываемой вершинами правильного (k+1)-угольного многоугольника, можно построить цилиндрическую эпитрохоидальную поверхность. Эта поверхность, или близкая к ней поверхность, выбирается в качестве криволинейной внутренней поверхности рабочей полости двигателя Ванкеля, а сам этот упомянутый многоугольник выбирается в качестве основания призмы, в форме которой выполняется ротор для этого двигателя. Плоские параллельные друг другу внутренние поверхности рабочей полости образуются торцовыми участками корпуса двигателя, например крышками. Подробно взаимосвязь геометрических параметров роторного двигателя раскрывается, например, в описании к патенту US 2988065, F01C 1/00, 1961.06.13 и в описании к патенту GB 583035, F01C 1/00, 1946.12.05. Для двигателей с трехгранным ротором (к числу которых относятся предлагаемый двигатель и аналогичные двигатели, упомянутые далее в настоящем описании) в зависимости от соотношения геометрических параметров, в частности, эксцентриситета эксцентрика вала и характерного размера в поперечном сечении ротора, эпитрохоида может иметь форму всюду выпуклого овала либо овала, «передавленного» по меньшему диаметру («двухлепестковый цветок»), а соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала составляет «три к одному» и обеспечивается вышеупомянутым передаточным механизмом. Эксцентриковый вал, применяемый в роторных двигателях внутреннего сгорания, может применяться и в других типах устройств, в частности в роторных насосах. Как правило, эксцентрик выполняется в форме цилиндра (здесь и далее в тексте цилиндр считается круговым, т.е. имеющим поперечное сечение в виде круга, если не оговорено иное), но известны исключения. Помимо упомянутых деталей (корпус с рабочей полостью, торцовые крышки, ротор с уплотнительными элементами, эксцентриковый вал, передаточный механизм) двигатели, к числу которых принадлежит предлагаемое устройство, снабжены системами зажигания, подачи топлива, воздуха, отвода продуктов сгорания, смазки, охлаждения и другими системами, которые не рассматриваются в настоящем описании предлагаемых изобретений. Грани ротора могут быть выполнены выпуклыми, плоскими или вогнутыми. Для простоты в настоящем описании рассматриваются двигатели с одним ротором, но суть изобретения распространяется также на двигатели с несколькими роторами на общем эксцентриковом валу, снабженном соответствующим количеством эксцентриков.
Известен роторный двигатель по описанию к патенту US 3963387 (МПК-7: F01C 1/02; F04C 17/02; F16H 55/00, опубл. 1976.06.15). Ротор в форме трехгранной призмы снабжен по своей оси цилиндрической полостью. В этой цилиндрической полости расположен цилиндрический эксцентрик эксцентрикового вала, на который ротор опирается через подшипник скольжения. Эксцентрик расположен внутри подшипника с минимальным зазором, который необходим для предотвращения заклинивания эксцентрика в роторе из-за неравномерных температурных деформаций разных материалов, из которых изготовлены ротор, подшипник и эксцентрик, при эксплуатации двигателя. В техническом решении этого двигателя предусмотрен механизм сохранения коаксиальности ротора и эксцентрика при температурных деформациях благодаря оригинальной конструкции закрепления подшипника в роторе. Такое решение позволяет уменьшить зазор, и тем самым уменьшить смещение ротора в момент воспламенения и начала расширения горючей смеси. Все-таки, хотя и в уменьшенной степени, в этом двигателе сохраняется известный недостаток роторных двигателей: из-за смещения ротора резко возрастает нагрузка на уплотнительный элемент, расположенный на ребре ротора, противоположном грани ротора, испытывающей давление расширяющихся газов. Это ведет к ускоренному износу уплотнительных элементов, к увеличению перетекания газов между смежными камерами, из-за чего снижаются мощность двигателя и полнота сгорания топлива, повышается токсичность отработанных газов.
Известен роторный двигатель, наиболее близкий к предлагаемому решению, из описания изобретения «РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» к патенту SU 131592 (класс 46а5, 1, заявл. 1960.03.07 за №657584/27). Двигатель состоит из корпуса с ограниченной с двух сторон торцами корпуса рабочей полостью овального поперечного сечения, из ротора в виде призмы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника с выпуклыми сторонами, из неподвижно закрепленной на центре одного из торцов корпуса шестерни, из венца внутреннего зацепления, «заделанного в ротор», из эксцентрикового вала с эксцентриком цилиндрической формы. Кинематическая связь вала с ротором осуществляется при помощи эпициклического зубчатого передаточного механизма с передаточным отношением 3:2 и эксцентрика. При вращении ротора его ребра описывают криволинейную эптрохоидальную поверхность. Двигатель снабжен оригинальной системой уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, обеспечивающей радиальную подвижность подпружиненных уплотнительных элементов в пазах, выполненных в ребрах ротора, благодаря чему несколько уменьшается разрушительная нагрузка на эти уплотнительные элементы в момент воспламенения горючей смеси и смещения ротора в пределах зазора его посадки на эксцентрик вала. Недостатком этого двигателя является сложность оригинальной системы уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, и недостаточное снижение нагрузки на уплотнительные элементы. Одной из причин этого недостатка является широко известная и типичная для известных роторных двигателей конструкция эксцентрикового вала этого двигателя. Цилиндрическая форма эксцентрика не обеспечивает корректировки движения ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Подпружиненный уплотнительный элемент со временем ослабевает, более сильная пружина приводит к преждевременному износу уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадиях сжатия и расширения горючей смеси, снижается экономичность.
Задачи, на решение которых направлены предлагаемые изобретения, состоят в увеличении срока эксплуатации роторного двигателя, в снижении токсичности выхлопных газов, в снижении расхода топлива и в повышении мощности роторного двигателя.
Указанные задачи решаются тем, что роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы (с высотой, равной высоте рабочей полости), по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного во времени объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», дополнительно характеризуется тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен несколько превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, настолько чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
Корпус двигателя содержит две торцовые крышки, одна или обе из которых могут быть съемными. Торцовые крышки корпуса с внутренней стороны имеют плоские участки, перпендикулярные оси эпитрохоидальной цилиндрической полости. В центральной части по меньшей мере одной торцовой крышки выполнено отверстие под установку эксцентрикового вала. В центральной части другой торцовой крышки выполнено либо отверстие под установку эксцентрикового вала, либо установлено приспособление для крепления эксцентрикового вала. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются точки локального максимума кривизны - опорные точки. Свободная (неплотная) посадка ротора на эксцентрик в форме кулачка предполагает, что в положении, когда часть поверхности посадочной полости ротора прижата к опорной точке кулачка, ротор может совершать минимальное (допустимое) качание на опорной точке, при этом диаметрально противоположная часть поверхности посадочной полости ротора может свободно проскальзывать по той части поверхности кулачка, которая диаметрально противоположна опорной точке. Минимальность допустимого качания (поворота вокруг опорной точки) означает, что при таком движении возможная дополнительная деформация каждого уплотнительного элемента является допустимой, неразрушающей, т.е. степень превышения диаметра внутренней полости ротора над максимальным диаметром кулачка должна выбираться в зависимости от параметров используемых уплотнительных элементов.
Предлагаемый роторный двигатель отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
Преимущества предлагаемого решения проявляются при работе двигателя. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на опорную точку кулачка. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:
снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;
снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачиваются мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;
повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;
повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.
Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемого изобретения.
Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию изобретения к патенту BG 61405 (МПК-7: F02B 57/00, опубл. 1997.07.31). Двигатель состоит из корпуса с внутренней рабочей полостью с поперечным сечением овальной формы, в которую помещен ротор в виде трехгранной призмы с выпуклыми гранями, имеющий по своей оси цилиндрическую полость и связанный этой полостью с эксцентриковым валом. Эксцентрик эксцентрикового вала расположен в цилиндрической полости ротора с возможностью вращения ротора. Ребра ротора снабжены уплотнительными элементами. Вал характеризуется тем, что его эксцентрик выполнен в форме, отличающейся от цилиндрической тем, что на его поверхности выполнены две продольных выемки таким образом, что его поперечное сечение ограничено кривой линией, образованной находящимися напротив друг друга двумя неравными по длине дугами одной окружности, соединенными между собой двумя линиями, изогнутыми внутрь окружности. Толщина эксцентрика вдоль оси равна длине цилиндрической полости ротора. Эксцентрик может быть выполнен либо заодно с валом, либо как отдельная деталь, жестко закрепленная на валу. Техническими результатами такого решения эксцентрикового вала можно признать лишь уменьшение расхода материала на изготовление эксцентрика и улучшенную сбалансированность масс относительно оси вращения вала. Недостаток этого решения состоит в том, что ротор двигателя, оснащенного таким эксцентриковым валом, в момент воспламенения горючей смеси резко смещается, при этом происходит увеличение нагрузки на уплотнительный элемент, установленный в ребре ротора, противоположном грани, испытывающей давление воспламеняющейся смеси, усиливается износ уплотнительного элемента в этот момент времени.
Известен эксцентриковый вал, предназначенный, в частности, для роторного двигателя, по описанию к патенту US 4431327 (МПК-7: B25G 3/00; F16D 1/00; F16G 11/00, опубл. 1984.02.14). Эксцентрик этого вала обладает радиальной подвижностью относительно оси вала. Смещению эксцентрика противодействуют пружины. Такая конструкция не способна предотвратить износ уплотнительных элементов ротора. Кроме того, такая конструкция обладает низкой надежностью, так как подвергаются износу детали крепления эксцентрика к валу.
Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию к патенту US 3359953 (МПК: F02B 53/00, опубл. 1967.12.26), который служит прототипом при описании предлагаемого решения. Эксцентрик этого вала имеет форму цилиндра с высотой (т.е. осью), по существу равной высоте трехгранной призмы, в форме которой выполнен ротор двигателя (за исключением части высоты призмы, равной глубине выемки в призме для закрепления венца внутреннего зацепления передаточного механизма). Диаметр эксцентрика по существу равен диаметру посадочной полости ротора двигателя, раскрытого в описании к патенту US 3359953. Недостаток этого эксцентрикового вала заключается в том, что цилиндрическая форма эксцентрика не позволяет корректировать движение ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадии сжатия горючей смеси, повышается расход топлива.
Указанные выше задачи предлагаемых изобретений решаются тем, что предлагаемый эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле, предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются две точки локального максимума кривизны - опорные точки. Предлагаемый эксцентриковый вал отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Преимущества предлагаемого эксцентрикового вала проявляются при работе роторного двигателя, диаметр посадочной полости ротора которого выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта, противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на ту из опорных точек кулачка, которая расположена сзади, считая по ходу вращения ротора. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:
снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;
снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачивается мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;
повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;
повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.
Дополнительный технический результат состоит в том, что при снижении скорости вращения ротора, например, при работе на холостом ходу, в момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор частично на опорную точку кулачка, расположенную спереди, считая по ходу вращения эксцентрикового вала. Таким образом, при снижении скорости вращения ротора предотвращается снижение степени проявления технических результатов.
Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемых изобретений.
Конструкция и работа предлагаемых технических решений поясняются фигурами, прилагаемыми к настоящему описанию. На фиг.1 представлен упрощенный рисунок сечения предлагаемого роторного двигателя с предлагаемым эксцентриковым валом. Фиг.2 поясняет устройство передаточного механизма. На фиг.3 упрощенно изображен общий вид предлагаемого эксцентрикового вала с опорными точками, обозначенными на поверхности кулачка штриховой линией. На фиг.4 на схематичном изображении сечения двигателя представлены векторы сил, действующих в двигателе в момент воспламенения горючей смеси.
Предлагаемый роторный двигатель состоит из полого корпуса 1, полость 2 которого выполнена в виде цилиндра эпитрохоидального сечения, см. фиг.1. Торцовая крышка корпуса со стороны зрителя на рисунке не показана. По оси корпуса установлен с возможностью вращения вал 3 (удерживается по оси корпуса с помощью торцовых крышек корпуса 1). На валу 3 жестко закреплен эксцентрик 4, а на эксцентрике 4 свободно посажен с возможностью вращения ротор 5. Диаметр цилиндрической посадочной полости 6 ротора 5 превосходит максимальный диаметр эксцентрика 4. В ребрах ротора 5 установлены уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. В корпусе 1 установлены свечи 8 системы зажигания. В торцовой крышке, расположенной со стороны двигателя, противоположной от зрителя, выполнены выпускное 9 и впускное 10 отверстия. Во избежание загромождения фиг.1 деталями, устройство передаточного механизма представлено на фиг.2. Шестерни 11 и 12 выделены штриховкой. Зубцы шестерен изображены упрощенно, их форма и количество условны. Шестерня 11 закреплена на одной из торцовых крышек (не показана) корпуса 1 соосно с эксцентриковым валом 3. Шестерня 12 внутреннего зацепления закреплена на роторе 5. Различные последовательные фазы работы двигателя не приводятся, поскольку они хорошо известны специалистам. Преимущества предлагаемых технических решений проявляются при работе двигателя следующим образом. В момент воспламенения горючей смеси, которому соответствует положение двигателя, изображенное на фиг.1, расширяющиеся газы давят на грань ротора 5, расположенную между уплотнительными элементами 7б и 7в, и ротор 5 поворачивается в направлении, обозначенном на фиг.1, 2 и 4 изогнутой стрелкой без надписи. Под действием давления газов ротор 5 давит на корпус 1 своим уплотнительным элементом 7а, но смещение ротора в предлагаемом двигателе ограничивается опорной точкой 13 эксцентрика 4, которая принимает на себя давление газов, передаваемое через ротор. В точке 14 эксцентрик 4 не соприкасается с ротором 5, в этом месте он проточен для свободного перемещения. Действующие в этот момент силы представлены на фиг.4. Результирующая сила, действующая на ротор 5 со стороны воспламенившихся газов, обозначена стрелкой Р, направленной перпендикулярно плоскости p-p, проходящей через ребра ротора, ограничивающие ту его грань, на которую оказывают давление газы. Сила, действующая со стороны ротора 5 на эксцентрик 4 в опорной точке 13, обозначена стрелкой N и направлена перпендикулярно плоскости n-n, касательной к цилиндрической поверхности посадочной полости 6 ротора 5 в опорной точке 13. Плоскости p-p и n-n образуют «клин» с углом α, возникающий за счет вращения ротора. Регулировка этого угла α позволяет добиться оптимального давления на уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. При перемещении ротора 5 этот «клин» с углом α одновременно отклоняет ротор навстречу расширяющимся газам и снимает нагрузку с уплотнительного элемента 7а (такой же «клин» возникает в опорной точке 15 на холостом ходу, при снижении оборотов двигателя). При вращении ротора 5 эксцентрик 4 эксцентрикового вала 3 давит ротором 5 на стенки полости 2 корпуса 1 за счет эффекта клина. Прижимной эффект происходит не за счет подпружиненных уплотнительных элементов, как это происходит в прототипе предлагаемого двигателя, а за счет вращения ротора. И в особо важный момент - детонации горючей смеси, момент интенсивного износа уплотнительного элемента переносится на эксцентрик. При этом достигаются технические результаты: снижается износ уплотнительных элементов, снижается токсичность выхлопных газов, повышается мощность двигателя, снижаются расход топлива и его потери.
Предлагаемые изобретения могут использоваться в двигателестроении вообще, в частности в производстве двигателей для автомобилей.
1. Роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы, по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», отличающийся тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
2. Эксцентриковый вал, отличающийся тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД и экономичность двигателя. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель внутреннего сгорания содержит нагнетатель и преобразователь энергии, выполненный в виде цилиндра статора, в котором эксцентрично расположен цилиндр ротора с пазами, в которые вставлены лопатки. В первом варианте двигатель снабжен коронками, стянутыми стяжками с лопатками. Лопатки и коронки имеют цилиндрические контактные поверхности с возможностью поворота друг относительно друга. Коронки имеют ножки с лапками и сектором, посредством которых коронка опирается на ось статора, закрепленную в центре цилиндра статора, и вращается на оси, причем все коронки объединены на оси статора стягивающими кольцами, воспринимающими центробежные силы, передающиеся им через секторы. Во втором варианте лопатки снабжены стяжками, осями, пружинами и полками, на которых установлен ролик. Двигатель снабжен вращающимся вместе с лопатками стягивающим кольцом, закрепленным на ролике одной из лопаток и воспринимающим действующие на лопатки при вращении ротора центробежные силы. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 24 ил. 
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть применено в качестве двигателя в различных машинах и агрегатах.
Изобретение названо «Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель внутреннего сгорания (ЦЭРДВС или ЦЭРД)» потому, что основной его механизм - преобразователь энергии, состоит из двух цилиндров разных диаметров, расположенных один в другом эксцентрично. Силовым элементом его (движителем) является цилиндр, вращающийся вокруг своей оси. Поэтому он называется роторный. В двигателе энергия сжатых газов, получаемых от сжигания топлива, преобразуется в энергию вращения ротора, поэтому двигатель называется двигателем внутреннего сгорания.
Для функционирования ЦЭРД требуется воздух и топливо, применяемое для двигателей внутреннего сгорания.
Отдельно цилиндрические эксцентричные механизмы могут применяться в качестве газовых и жидкостных насосов.
Наиболее близким аналогом данного изобретения является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий нагнетатель, цилиндр статора, ротор с лопатками (см. WO 03/056156, опубл. 10.07.2003).
Целью изобретения является улучшение энергетических и экономических характеристик двигателя внутреннего сгорания.
Указанная цель может достигаться благодаря двум вариантам выполнения двигателя.
Вариант 1.
Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий нагнетатель и преобразователь энергии, выполненный в виде цилиндра статора, в котором эксцентрично расположен цилиндр ротора с пазами, в которые вставлены лопатки, согласно изобретению он снабжен коронками, стянутыми стяжками с лопатками, при этом лопатки и коронки имеют цилиндрические контактные поверхности с возможностью поворота друг относительно друга, коронки имеют ножки с лапками и сектором, посредством которых коронка опирается на ось статора, закрепленную в центре цилиндра статора, и вращается на оси, причем все коронки объединены на оси статора стягивающими кольцами, воспринимающими центробежные силы, передающиеся им через секторы. Ножки коронки могут проходить через вырезы в лопатке. Ножки коронок могут иметь с одной стороны правую, а с другой стороны левую резьбу для достижения контакта необходимой плотности коронки с внутренней поверхностью статора за счет поворота ножки. Для уменьшения трения между контактными поверхностями лопатки и коронки могут быть расположены цилиндрические ролики.
Вариант 2.
Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий нагнетатель и преобразователь энергии, выполненный в виде закрепленного неподвижно цилиндра статора, вокруг которого вращается расположенный эксцентрично статору цилиндр ротора с лопатками, выполненными в виде ползунов, согласно изобретению лопатки снабжены стяжками, осями, пружинами и полками, на которых установлен ролик, при этом двигатель снабжен вращающимся вместе с лопатками стягивающим кольцом, закрепленным на ролике одной из лопаток и воспринимающим действующие на лопатки при вращении ротора центробежные силы. Статор может иметь посадочные шлицевые пояса, стопорящие крышки на статоре от проворачивания. В крышках могут быть установлены устройства для зажигания рабочей смеси.
В цилиндрическом эксцентричном роторном двигателе энергия сжатых газов преобразуется в энергию вращения ротора. В двигателе используется явление изменения расстояния между стенками цилиндров большого и меньшего диаметров, расположенных один в другом эксцентрично. Если разбить пространство между цилиндрами лопатками (фиг.1) на несколько секторов (в нашем случае на четыре) и вращать один цилиндр, назовем его ротор, вместе с лопатками относительно другого, назовем его статор, то объем каждого сектора будет изменяться от минимального до максимального. Если пространство между цилиндрами с торцов закрыть крышками, а в положении I в сектор закачать газ под давлением Pi, то в положении I +
этот газ будет воздействовать на лопатку с большим вылетом h и повернет ротор в сторону этой лопатки до положения III. Таким образом, энергия давления газов превращается в энергию вращения ротора. В заявке представлены следующие графические материалы.
Чертежи, поясняющие изобретение:
фиг.1 - принцип работы преобразователя энергии ЦЭРД;
фиг.2 - схема ЦЭРД со смесителем;
фиг.3 - схема дизельного ЦЭРД;
фиг.4 - схема преобразователя энергии с наружным ротором;
фиг.5 - схема преобразователя энергии с внутренним ротором;
фиг.6 - конструктивная схема ЦЭРД с внутренним ротором;
фиг.7 - конструктивная схема ЦЭРД с наружным ротором;
фиг.8 - преобразователь энергии с внутренним ротором;
фиг.9 - статор;
фиг.10 - ротор;
фиг.11 - ротор, разрез А-А повернуто на 45°;
фиг.12 - ротор, вид А;
фиг.13 - лопатка;
фиг.14 - коронка;
фиг.15 - коронка;
фиг.16 - коронка в сборе;
фиг.17 - схема работы коронки;
фиг.18 - нейтрализация центробежных сил;
фиг.19 - схема преобразователя энергии ЦЭРД с наружным ротором;
фиг.20 - статор;
фиг.21 - ротор с крышкой;
фиг.22 - крышка;
фиг.23 - схема вывода выходного вала в ЦЭРД с наружным ротором;
фиг.24 - ползун с лопаткой в сборе.
Обозначения:
Н - нагнетатель;
П - преобразователь энергии;
С - смеситель;
O1 - центр вращения статора;
О2 - центр вращения ротора;
R - радиус большего цилиндра;
r - радиус меньшего цилиндра;
h - вылет лопатки; h л - левой лопатки, hп - правой лопатки;
F - сила, действующая на лопатку, вследствие давления газов;
k - плечо действия силы F;
- угол поворота ротора;
I, II, III, IV - секторы;
P1, Р2, Р 3 - давление газа в полости сектора;
F цб - центробежная сила, действующая на лопатку;
N - сила реакции опоры.
1 - статор;
2 - ротор;
3 - крышка;
4 - лопатка;
5 - основание двигателя;
6 - выходной вал;
7 - шестерни;
8 - коронка;
9 - ось преобразователя;
10 - зажигательное устройство;
11 - выпускное окно;
12 - продувочное окно;
13 - нагнетательное окно;
14 - полуротор;
15 - стягивающий болт;
16 - калиброванная втулка;
17 - пазы под лопатку;
18 - рабочий пояс;
19 - уплотнительный пояс;
20 - шлицевой пояс;
21 - хвостовик;
22 - опорный подшипник;
23 - уплотнение;
24 - основание лопатки;
25 - рабочая пластина;
26 - опорная пластина;
27 - вырез для ножки коронки;
28 - крышка лопатки;
29 - контактная пластина лопатки;
30 - ролики;
31 - отверстие для стяжки;
32 - стяжка;
33 - контргайка;
34 - гайка;
35 - ножка коронки;
36 - лапка коронки;
37 - стягивающее кольцо;
38 - боковая крышка;
39 - контактная пластина коронки;
40 - маятник;
41 - головка коронки;
42 - стяжка;
43 - контргайка;
44 - сектор коронки;
45 - гнездо ножки;
46 - ложемент маятника;
47 - ось маятник;
48 - накладка;
49 - стопорное кольцо;
50 - ролики сектора коронки;
51 - винт крепления головки;
52 - ползун;
53 - пружина;
54 - крепежный пояс статора;
55 - плечо ротора;
56 - полка;
57 - ролик;
58 - шлицевое соединение;
59 - переходник;
60 - подшипник вала.
Двигатель состоит из нагнетателя Н и преобразователя энергии П. На фиг.2 изображена схема такого двигателя. Нагнетатель Н нагнетает воздух в смеситель С. Полученная в смесителе рабочая смесь поступает в преобразователь энергии. Возможен вариант, при котором топливо (бензин) впрыскивается в нагнетательную полость форсунками, которые будут располагаться за нагнетательным окном. При дизельном исполнении двигателя (фиг.3) в преобразователь энергии закачивается только воздух, а топливо под высоким давлением впрыскивается в рабочую полость. И нагнетатель, и преобразователь и все остальные детали крепятся на основании 5 двигателя. Из двигателя выходит вал 4, который передает момент вращения потребителю.
Преобразователь энергии (фиг.4, 5, 8) является основным механизмом в двигателе. Он предназначен для сжатия и сжигания рабочей смеси, нагнетаемой в него нагнетателем в бензиновых двигателях, или сжатия нагнетаемого в него воздуха и впрыска топлива в дизельных двигателях, и преобразования получившейся энергии тепла и давления газов в энергию вращения ротора.
Основными деталями его являются статор 1 и ротор 2. Статором и ротором служат цилиндры преобразователя. Статором, так же как и ротором, может быть цилиндр как большего, так и меньшего диаметра.
На фиг.4, 8 схематично изображен преобразователь энергии, ротором которого служит цилиндр меньшего размера. В преобразователе энергии ротор 2 с лопатками 4 размещены в статоре 1. Пространство между статором и ротором по торцам статора закрыто крышками 3 статора. В основании двигателя 5 врастяжку крепится ось преобразователя 9.
Статор (фиг.9) является основой для всех деталей и механизмов преобразователя. В представляемом двигателе статором 1 служит цилиндр большего диаметра, в центре которого врастяжку в основании 5 крепится ось преобразователя 9. Пространство между статором и ротором закрываются крышками статора 3. Крышки герметизируют рабочее пространство преобразователя энергии и служат опорой для ротора. В крышках статора имеются окна: выпускное 11, продувочное 12 и нагнетательное 13. Если преобразователь энергии имеет в длину такие размеры, что только через окна в крышках качественное снабжение воздухом и рабочей смесью преобразователя затруднено, выше названные окна необходимо сделать в теле статора. Это отображено на фиг.6. Цифрами 11, 12, 13 обозначены соответственно выпускные, продувочные и нагнетательные окна, выполненные в теле статора.
Крышки статора герметизируют рабочий пояс преобразователя. Рабочий пояс преобразователя - это пространство, в котором происходит рабочий процесс, и поверхности, в него входящие. В крышках статора размещаются также опорные подшипники 22 ротора.
Ротор (фиг.10, 11, 12) преобразует полученные от лопаток усилия в момент вращения и передает этот момент вращения на редуктор и далее, через выходной вал 6, на потребитель. Он состоит из двух полуроторов 14, соединенных с помощью стягивающих болтов 15 и калиброванных втулок 16. В теле ротора выполнены пазы 17 для лопаток. Та часть ротора, где выполнены пазы для лопаток, принимает непосредственное участие в преобразовании энергии. Она называется рабочим поясом ротора 18. За рабочим поясом следует уплотнительный пояс 19, на котором располагается опорный подшипник 22, ротора, а также элементы уплотнения 23. Далее следует шлицевой пояс 20, на котором располагаются шестерни ротора и эксцентрики насос-форсунок. Оканчивается ротор хвостовиком 21, который вращается в корпусе двигателя. Лопатка (фиг.13) предназначена для передачи усилий ротору, получаемых от давления газов. Она представляет собой прямоугольный параллелепипед, одна из сторон которого является вогнутой цилиндрической поверхностью, полуцилиндром. Эта поверхность находится в постоянном контакте с коронкой и называется контактной пластиной коронки 29. С торцов лопатки закрывают крышки 28. Основанием 24 лопатки может служить любая конструкция, имеющая достаточную жесткость на изгиб и минимальный вес. На чертеже - это конструкция из сваренных в ряд между собой трубчатых элементов. На основе крепятся рабочие пластины 25 из жаропрочного и износостойкого материала. На цилиндрической поверхности лопатки 29 устанавливаются две секции роликов 30, через которые лопатка контактирует с коронкой. Через вырезы 27 в лопатке проходят ножки коронки. Отверстия 31 служат для стяжек 32. В нижней части лопатки имеется опорная пластина 26, в которую входят стяжки. С помощью гаек 34 и контргаек 33 устанавливается необходимый контакт между лопаткой 4 и коронкой 8. Коронка (фиг.14, 15, 16) принимает на себя центробежные силы (фиг.17, 18), действующие на лопатку при вращении ротора, обеспечивает контакт необходимой плотности с внутренней поверхностью статора и оберегает внутреннюю поверхность статора от преждевременного износа, а двигатель от понижения КПД. Коронка состоит из следующих элементов. Коронка 8 - 1 шт. Ножка коронки 35 - 2 шт. Лапка коронки 36 - 2 шт. Стягивающее кольцо 37 - 4 шт. Боковая крышка 38 - 2 шт. Контактная пластина 39 - 1 шт. Маятник коронки 40 - 1 шт. Головка коронки 41 - 1 шт. Стяжка 42 - 3 шт.
Контргайка 43 - 4 шт. Сектор коронки 44 - 2 шт. Гнездо ножки 45 - 4 шт. Ложемент оси маятника 46 - 1 шт. Ось маятника 47 - 1 шт. Накладка 48 - 1 шт. Стопорное кольцо 49 - 4 шт. Винты крепления головки 50 - 12 шт. Коронка 8 своими лапками 36 через сектор коронки 44 упирается в ось 9 преобразователя, расположенную в центре вращения O1. В гнезда ножек 45, имеющихся на лапках и коронке, вкручиваются ножки коронки 35, имеющие с одной стороны правую, а с другой стороны левую резьбы. Вращением ножки в одну или другую сторону, можно добиться контакта необходимой плотности между коронкой и внутренней поверхностью статора. К коронке с помощью стяжек 42 крепится лопатка. Лопатка и коронка имеют цилиндрические контактные поверхности 39; у лопатки вогнутая, у коронки выпуклая. Для уменьшения силы трения между этими поверхностями расположены цилиндрические ролики 30, соединенные в две секции. В процессе работы, лопатка и коронка при повороте друг относительно друга просто катаются на этих роликах. Маятник коронки 40, к которому относятся стяжки, имеет ось 47, которая поворачивается на своем ложементе 46, расположенном в коронке. Сверху ось закрывается накладкой 48. Венчает коронку головка коронки 41, крепящаяся к ней винтами 51. Все коронки соединяются на оси стягивающими кольцами 37, воспринимающими на себя центробежные силы Fцб, передающиеся им через секторы коронок 44. Стягивающие кольца удерживаются от осевого смещения стопорными кольцами 49. Для уменьшения трения между поверхностями сектора и стягивающего кольца предусмотрены ролики 50.
Нагнетатель может быть любого типа. Нагнетатель обеспечивает продувку воздухом рабочей полости преобразователя от отработанных газов, приготовление рабочей смеси необходимого качества, в необходимых количествах, нагнетание смеси или воздуха в преобразователь энергии в необходимом количестве.
На основании 5 размещаются и крепятся узлы и механизмы двигателя, а также узлы для крепления двигателя в агрегате, в котором этот двигатель будет работать. Шестерни 7 служат для передачи момента вращения с ротора на другие агрегаты и механизмы двигателя, в том числе на выходной вал 6. Выходной вал 6 служит для передачи момента вращения, образующегося в двигателе, потребителю. Потребителем может быть трансмиссия автомобиля, электрический генератор и прочее.
ЦЭРД с внутренним ротором работает следующим образом. Ротор 2 вращается в статоре 1. Ротором служит цилиндр меньшего диаметра, имеющий пазы, расположенные вдоль оси нормально к ней. В пазы ротора вставлены лопатки 4, имеющие возможность двигаться в этих пазах нормально к оси лопатки. Крышки преобразователя 3, внутренняя поверхность цилиндра статора и внешняя поверхность цилиндра ротора образуют полости. В представляемом двигателе четыре полости. При повороте ротора (фиг.1) объем полости изменяется от V=V0. до V=V 3, и обратно. В преобразователь энергии при нахождении полости в положении IV из смесителя поступает рабочая смесь (такт нагнетания). При повороте ротора от положения IV до положения I, объем полости уменьшится от V=V4 до V=V0, - происходит сжатие рабочей смеси (такт сжатия). Когда полость достигает положения I+ , происходит воспламенение рабочей смеси. Рабочая смесь зажигается с помощью зажигательного устройства 10. Если в двигателе будет использоваться дизельное топливо, в положении IV полости заполняются воздухом, а в положении I+ впрыскивается горючее. Горючее при соприкосновении со сжатым воздухом воспламеняется. Сжатый газ, полученный в результате воспламенения рабочей смеси, или горючего, воздействует на лопатки. Лопатки вращают ротор. Ротор поворачивается, объем полости увеличивается, давление в полости падает. Происходит рабочий ход. Момент вращения ротора (фиг.6) через шестерни 7 передается на выходной вал 6 двигателя. В положении III в крышках статора предусмотрены выпускные окна, в которые выходят отработанные газы. Когда полость достигнет положения III, происходит выброс продуктов сгорания (выхлоп). Таким образом, получился полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания. И такой цикл проходит каждая из полостей преобразователя за один оборот ротора.
Для эффективного освобождения от отработанных газов и создания условий для вращения ротора (фиг.9) сразу же за выпускным окном 11 расположено продувочное окно 12. Нагнетатель нагнетает воздух в основную магистраль. От этой магистрали ответвляется магистраль продувки, поставляющая воздух в продувочное окно 12. Нагнетаемый в полость воздух создает за выпускным окном зону повышенного давления. Отработанные газы, столкнувшись с этой преградой, не проникают дальше в полость, а подпираемые лопаткой с одной стороны и воздухом под давлением с другой стороны, будут выходить в выпускное окно 11. Давление воздуха в продувочном окне должно быть достаточным, чтобы не допустить проникновения отработанных газов в полость, но и не слишком большим, чтобы в выпускное окно воздуха выходило как можно меньше. С увеличением скорости вращения ротора увеличивается и центробежная сила, действующая на лопатку, а значит, и сила трения между лопаткой и внутренней поверхностью статора, что приводит к преждевременному износу соприкасающихся поверхностей и падению КПД двигателя. Поэтому лопаточные двигатели, несмотря на все их преимущества не находят широкого применения. Чтобы избежать этого явления, в двигателе предусмотрены коронки.
Коронка (фиг.14, 15, 16) - это, в принципе, скоба, опоясывающая лопатку. Своими ножками 35 коронка опирается на ось преобразователя 9 и, прижатая к этой оси стягивающими кольцами 37, вращается на ней. Цилиндрические поверхности контакта 39 между лопаткой и коронкой позволяют поворачиваться им относительно друг друга на необходимый угол (примерно 11°), а с помощью оси маятника 47 и стяжек 32, которые составляют одно целое с осью маятника, достигается необходимая плотность контакта лопатки с коронкой. Размер высоты коронки равен радиусу статора. Коронка ведет лопатку по траектории радиуса статора, обеспечивая всей системе необходимую плотность контакта, не допуская проявления центробежных сил, на увеличении силы трения между системой коронка-лопатка и внутренней поверхностью статора. Стягивающие кольца 37 (фиг.17, 18) объединяют ножки всех коронок. Они принимают на себя все центробежные нагрузки, действующие на лопатку и коронку. Центробежные силы примерно одинаковые и направлены примерно в противоположные стороны. Результирующая сила будет сравнительно небольшой. Она будет действовать на ось статора, закрепленную врастяжку в основании двигателя, и через эту ось - на основание двигателя.
Рассмотрим вариант двигателя, у которого ротором в преобразователе энергии служит цилиндр большего диаметра. Схема двигателя такая же, как и у двигателя с ротором внутри статора. Механизм получения крутящего момента остается тем же (фиг.5): два эксцентрично расположенных один в другом цилиндра различных диаметров 1 и 2 и между их стенками лопатки 4, вращающиеся с одним из цилиндров. То есть двигатель относится к классу ЦЭРДВС, но в представляемом варианте цилиндр меньшего диаметра закрепляется неподвижно и является статором 1, вокруг которого, с центром вращения О2, вместе с лопатками вращается цилиндр большего диаметра, являющийся ротором 2. В этом случае в коронках нет необходимости, но появилась необходимость в другом элементе лопатки, который можно назвать ползуном.
Преобразователь энергии с наружным ротором может применяться как в качестве составной части ЦЭРДВС, так и в качестве всевозможных насосов и нагнетателей. На фиг.7 изображена схема двигателя, в котором в преобразователе энергии ротором является цилиндр большего размера. Основой двигателя является его основание 5. На нем крепятся все узлы и детали, и при помощи крепежных узлов основания двигатель крепится к агрегату. Преобразователь энергии (фиг.19) состоит из следующих частей: 1 - статор, 2 - ротор, 4 - лопатки, 7 - шестерни ротора, 52 - ползун, 37 - стягивающее кольцо, 10 - форсунка или свеча зажигания.
Статор (фиг.25) - это основание преобразователя, на котором крепятся и вокруг которого вращаются детали преобразователя. Сам статор крепится в основании двигателя.
Статор выполнен в виде полого цилиндра, на котором размещены: крепежный пояс 54, посадочный для крышки (шлицевой) пояс 20, рабочий пояс 18. В теле статора выполнены сквозные канавки, служащие окнами для нагнетания рабочей смеси 13 и окнами для нагнетания воздуха (продувочные окна) 12. В посадочном поясе для крышки имеется шлицевой пояс 20. Этим поясом крышка стопорится на статоре от прокручивания. Внутри статора располагается рубашка охлаждения статора, а также проходят магистрали наддува с рабочей смесью и магистраль продува с воздухом. Таким образом, полости преобразователя заполняются рабочей смесью и продуваются воздухом не только через окна в крышках, но и через окна статора.
Ротор (фиг.21) воспринимает усилия от лопаток, преобразует эти усилия в момент вращения и передает его через шестерни 7 на выходной вал 6 и на другие агрегаты двигателя. Ротор 2 представляет собой полый цилиндр, в котором выполнены прямоугольные отверстия 17 для размещения в них гнезд лопаток. Влево и вправо от лопаток расположены плечи ротора 55, внутренняя поверхность которых является поясом герметизации 20 ротора с крышкой, а на внешней поверхности устанавливаются шестерни ротора 7.
Крышка преобразователя энергии показана на фиг.22. У преобразователя энергии две крышки. Они закрывают с торцов рабочее пространство преобразователя. В крышках выполнены окна для магистралей преобразователя; выпускное окно 11 для выхода отработанных газов, продувочное окно 12, нагнетательное окно 13. Кроме того, в крышках размещаются устройства для зажигания рабочей смеси 10. Крышки герметизируют рабочие пояса преобразователя энергии.
На фиг.24. изображена лопатка в сборе вместе с ползуном. В представленном двигателе их четыре. Лопатка служит для восприятия усилий от сжатого газа и передачи их ротору. Лопатка состоит из основания лопатки 24, ползуна 51, маятника 40, состоящего в свою очередь из стяжек 32 и оси 47, пружин 53 - 2 шт., полки 56, на которой установлен ролик 57. Центробежные силы, действующие на лопатки при вращении ротора, воспринимает стягивающее кольцо 37, закрепленное на ролике одной из лопаток, вращающееся вместе с лопатками. С торцов лопатки закрываются крышками 28.
Ползун 51 является связующим звеном между лопаткой и рабочей поверхностью ротора.
На фиг.23 изображена схема преобразователя с наружным ротором, выходной вал которого через переходник 59, соединенный с ротором шлицевым соединением 58, через опорный подшипник 60 выходит на потребителя. Это схема соединения без использования шестерен, для передачи момента вращения потребителю.
ЦЭРД могут быть как бензиновыми, так и дизельными. Бензиновые двигатели могут быть как карбюраторными, так и двигателями с впрыском топлива. По количеству лопаток - трехлопаточные и далее. По количеству преобразователей - однокамерными и многокамерными. По расположению - с параллельным расположением нагнетателей по отношению к преобразователю и последовательным расположением нагнетателей.
С введением цилиндрического эксцентричного роторного лопаточного преобразователя энергии (ЦЭРЛП), КПД двигателя увеличился, а следовательно, улучшились и экономические показатели. КПД одной лопатки четырехлопаточного ЦЭРД будет больше КПД поршня поршневого двигателя примерно на 14,9%. КПД лопатки трехлопаточного ЦЭРД больше КПД поршня поршневого двигателя на 33,8%. Четырехлопаточный двигатель экономичнее поршневого примерно на 12,6%. Трехлопаточный ЦЭРД экономичнее поршневого двигателя на 25,1%. Введение нагнетателя приводит к увеличению мощности двигателя. Так, трехлопаточный двигатель, имеющий объем камеры сгорания, равный объему камеры сгорания поршневого двигателя в два раза мощнее этого двигателя и гораздо меньше.
Расчеты показывают, что ЦЭРД - самый эффективный двигатель, но все эти преимущества не дадут эффекта из-за того, что центробежные силы, действующие на лопатки, прижимают их к поверхности статора. Это приводит к увеличению сил трения между поверхностями лопатки и статора, в результате чего КПД двигателя уменьшается, а трущиеся поверхности изнашиваются. Этот недостаток лопаточных двигателей сводит на нет все их преимущества, поэтому лопаточные роторные двигатели не находят широкого применения. Однако введение коронок приведет к нейтрализации действия центробежных сил. К понижению потерь на трение приведет применение роликов в месте контактов коронки с лопаткой и сектора коронки со стягивающим кольцом. Эти конструктивные нововведения позволят полностью воспользоваться преимуществами ЦЭРД и приведут и к увеличению КПД, и к повышению экономичности двигателя.
1. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий нагнетатель и преобразователь энергии, выполненный в виде цилиндра статора, в котором эксцентрично расположен цилиндр ротора с пазами, в которые вставлены лопатки, отличающийся тем, что он снабжен коронками, стянутыми стяжками с лопатками, при этом лопатки и коронки имеют цилиндрические контактные поверхности с возможностью поворота друг относительно друга, коронки имеют ножки с лапками и сектором, посредством которых коронка опирается на ось статора, закрепленную в центре цилиндра статора, и вращается на оси, причем все коронки объединены на оси статора стягивающими кольцами, воспринимающими центробежные силы, передающиеся им через секторы.
2. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ножки коронки проходят через вырезы в лопатке.
3. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ножки коронок имеют с одной стороны правую, а с другой стороны левую резьбу для достижения контакта необходимой плотности коронки с внутренней поверхностью статора за счет поворота ножки.
4. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения трения между контактными поверхностями лопатки и коронки расположены цилиндрические ролики.
5. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий нагнетатель и преобразователь энергии, выполненный в виде закрепленного неподвижно цилиндра статора, вокруг которого вращается расположенный эксцентрично статору цилиндр ротора с лопатками, выполненными в виде ползунов, отличающийся тем, что лопатки снабжены стяжками, осями, пружинами и полками, на которых установлен ролик, при этом двигатель снабжен вращающимся вместе с лопатками стягивающим кольцом, закрепленным на ролике одной из лопаток и воспринимающим действующие на лопатки при вращении ротора центробежные силы.
6. Цилиндрический эксцентричный роторный двигатель по п.5, отличающийся тем, что статор имеет посадочные шлицевые пояса, стопорящие крышки на статоре от проворачивания.
7. Роторный двигатель по п.5, отличающийся тем, что в крышках установлены устройства для зажигания рабочей смеси.
www.freepatent.ru
Изобретения относятся к роторным двигателям с эксцентриковым валом. Роторный двигатель содержит корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью. По оси рабочей полости расположен эксцентриковый вал. Ротор выполнен в виде треугольной призмы, по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала. Ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения. Передаточный механизм обеспечивает при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного объема и обеспечивает соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному». Один из элементов передаточного механизма неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса. Эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов. Эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка. Диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала. Рабочая часть кулачка выполнена с двумя опорными точками в профиле. Техническим результатом является снижение токсичности выхлопных газов, увеличение срока эксплуатации, мощности и экономичности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 4 ил. 
Изобретения относятся к области роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые часто называют роторными двигателями внутреннего сгорания (для краткости - роторные двигатели) или двигателями Ванкеля (см., например, «Советский Энциклопедический Словарь», Москва, 1987, с.193). Более точно, предлагаемый роторный двигатель относится к разновидности роторных двигателей, рабочая полость которых имеет в сечении овал либо близкую к овалу фигуру в виде контура цветка с двумя «лепестками», ротор в форме призмы имеет три одинаковых рабочих поверхности (грани), а предлагаемый эксцентриковый вал предназначен для использования в предлагаемом роторном двигателе, и, соответственно, относится к эксцентриковым валам (т.е. к передаточным валам, снабженным эксцентриками), предназначенным для использования в роторных двигателях.
Особенность двигателей Ванкеля заключается в том, что многогранный ротор, связанный с эксцентриковым валом (аналогом коленчатого вала) и выполняющий функцию, аналогичную функции поршня шатунно-поршневых двигателей, при движении циклически описывает своими ребрами, разделяющими рабочие поверхности, так называемую эпитрохоидальную поверхность. При этом каждая грань ротора и ближайший к ней участок внутренней овальной поверхности рабочей полости корпуса вместе с торцовыми поверхностями рабочей полости образуют замкнутую полость - рабочую камеру - переменного объема, в которой попеременно совершаются две стадии расширения и две стадии сжатия за один полный оборот ротора, что соответствует известному четырехтактному циклу работы шатунно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Для поддержания герметичности рабочих камер установлены уплотнительные элементы, в частности, в ребрах призмы ротора. Цикличность движения ротора обеспечивается передаточным механизмом, выполненным, например, в виде пары шестерен, большая из которых, закрепленная на роторе, имеет внутреннее расположение зубьев и обкатывается вокруг меньшей шестерни, закрепленной на корпусе двигателя коаксиально с эксцентриковым валом. Возможен выбор такого передаточного числа этого механизма, что каждая точка ротора за время одного оборота ротора вокруг своей оси описывает целое число k сегментов известной в геометрии кривой линии - эпитрохоиды. По эпитрохоиде, циклически описываемой вершинами правильного (k+1)-угольного многоугольника, можно построить цилиндрическую эпитрохоидальную поверхность. Эта поверхность, или близкая к ней поверхность, выбирается в качестве криволинейной внутренней поверхности рабочей полости двигателя Ванкеля, а сам этот упомянутый многоугольник выбирается в качестве основания призмы, в форме которой выполняется ротор для этого двигателя. Плоские параллельные друг другу внутренние поверхности рабочей полости образуются торцовыми участками корпуса двигателя, например крышками. Подробно взаимосвязь геометрических параметров роторного двигателя раскрывается, например, в описании к патенту US 2988065, F01C 1/00, 1961.06.13 и в описании к патенту GB 583035, F01C 1/00, 1946.12.05. Для двигателей с трехгранным ротором (к числу которых относятся предлагаемый двигатель и аналогичные двигатели, упомянутые далее в настоящем описании) в зависимости от соотношения геометрических параметров, в частности, эксцентриситета эксцентрика вала и характерного размера в поперечном сечении ротора, эпитрохоида может иметь форму всюду выпуклого овала либо овала, «передавленного» по меньшему диаметру («двухлепестковый цветок»), а соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала составляет «три к одному» и обеспечивается вышеупомянутым передаточным механизмом. Эксцентриковый вал, применяемый в роторных двигателях внутреннего сгорания, может применяться и в других типах устройств, в частности в роторных насосах. Как правило, эксцентрик выполняется в форме цилиндра (здесь и далее в тексте цилиндр считается круговым, т.е. имеющим поперечное сечение в виде круга, если не оговорено иное), но известны исключения. Помимо упомянутых деталей (корпус с рабочей полостью, торцовые крышки, ротор с уплотнительными элементами, эксцентриковый вал, передаточный механизм) двигатели, к числу которых принадлежит предлагаемое устройство, снабжены системами зажигания, подачи топлива, воздуха, отвода продуктов сгорания, смазки, охлаждения и другими системами, которые не рассматриваются в настоящем описании предлагаемых изобретений. Грани ротора могут быть выполнены выпуклыми, плоскими или вогнутыми. Для простоты в настоящем описании рассматриваются двигатели с одним ротором, но суть изобретения распространяется также на двигатели с несколькими роторами на общем эксцентриковом валу, снабженном соответствующим количеством эксцентриков.
Известен роторный двигатель по описанию к патенту US 3963387 (МПК-7: F01C 1/02; F04C 17/02; F16H 55/00, опубл. 1976.06.15). Ротор в форме трехгранной призмы снабжен по своей оси цилиндрической полостью. В этой цилиндрической полости расположен цилиндрический эксцентрик эксцентрикового вала, на который ротор опирается через подшипник скольжения. Эксцентрик расположен внутри подшипника с минимальным зазором, который необходим для предотвращения заклинивания эксцентрика в роторе из-за неравномерных температурных деформаций разных материалов, из которых изготовлены ротор, подшипник и эксцентрик, при эксплуатации двигателя. В техническом решении этого двигателя предусмотрен механизм сохранения коаксиальности ротора и эксцентрика при температурных деформациях благодаря оригинальной конструкции закрепления подшипника в роторе. Такое решение позволяет уменьшить зазор, и тем самым уменьшить смещение ротора в момент воспламенения и начала расширения горючей смеси. Все-таки, хотя и в уменьшенной степени, в этом двигателе сохраняется известный недостаток роторных двигателей: из-за смещения ротора резко возрастает нагрузка на уплотнительный элемент, расположенный на ребре ротора, противоположном грани ротора, испытывающей давление расширяющихся газов. Это ведет к ускоренному износу уплотнительных элементов, к увеличению перетекания газов между смежными камерами, из-за чего снижаются мощность двигателя и полнота сгорания топлива, повышается токсичность отработанных газов.
Известен роторный двигатель, наиболее близкий к предлагаемому решению, из описания изобретения «РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» к патенту SU 131592 (класс 46а5, 1, заявл. 1960.03.07 за № 657584/27). Двигатель состоит из корпуса с ограниченной с двух сторон торцами корпуса рабочей полостью овального поперечного сечения, из ротора в виде призмы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника с выпуклыми сторонами, из неподвижно закрепленной на центре одного из торцов корпуса шестерни, из венца внутреннего зацепления, «заделанного в ротор», из эксцентрикового вала с эксцентриком цилиндрической формы. Кинематическая связь вала с ротором осуществляется при помощи эпициклического зубчатого передаточного механизма с передаточным отношением 3:2 и эксцентрика. При вращении ротора его ребра описывают криволинейную эптрохоидальную поверхность. Двигатель снабжен оригинальной системой уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, обеспечивающей радиальную подвижность подпружиненных уплотнительных элементов в пазах, выполненных в ребрах ротора, благодаря чему несколько уменьшается разрушительная нагрузка на эти уплотнительные элементы в момент воспламенения горючей смеси и смещения ротора в пределах зазора его посадки на эксцентрик вала. Недостатком этого двигателя является сложность оригинальной системы уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, и недостаточное снижение нагрузки на уплотнительные элементы. Одной из причин этого недостатка является широко известная и типичная для известных роторных двигателей конструкция эксцентрикового вала этого двигателя. Цилиндрическая форма эксцентрика не обеспечивает корректировки движения ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Подпружиненный уплотнительный элемент со временем ослабевает, более сильная пружина приводит к преждевременному износу уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадиях сжатия и расширения горючей смеси, снижается экономичность.
Задачи, на решение которых направлены предлагаемые изобретения, состоят в увеличении срока эксплуатации роторного двигателя, в снижении токсичности выхлопных газов, в снижении расхода топлива и в повышении мощности роторного двигателя.
Указанные задачи решаются тем, что роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы (с высотой, равной высоте рабочей полости), по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного во времени объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», дополнительно характеризуется тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен несколько превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, настолько чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
Корпус двигателя содержит две торцовые крышки, одна или обе из которых могут быть съемными. Торцовые крышки корпуса с внутренней стороны имеют плоские участки, перпендикулярные оси эпитрохоидальной цилиндрической полости. В центральной части по меньшей мере одной торцовой крышки выполнено отверстие под установку эксцентрикового вала. В центральной части другой торцовой крышки выполнено либо отверстие под установку эксцентрикового вала, либо установлено приспособление для крепления эксцентрикового вала. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются точки локального максимума кривизны - опорные точки. Свободная (неплотная) посадка ротора на эксцентрик в форме кулачка предполагает, что в положении, когда часть поверхности посадочной полости ротора прижата к опорной точке кулачка, ротор может совершать минимальное (допустимое) качание на опорной точке, при этом диаметрально противоположная часть поверхности посадочной полости ротора может свободно проскальзывать по той части поверхности кулачка, которая диаметрально противоположна опорной точке. Минимальность допустимого качания (поворота вокруг опорной точки) означает, что при таком движении возможная дополнительная деформация каждого уплотнительного элемента является допустимой, неразрушающей, т.е. степень превышения диаметра внутренней полости ротора над максимальным диаметром кулачка должна выбираться в зависимости от параметров используемых уплотнительных элементов.
Предлагаемый роторный двигатель отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
Преимущества предлагаемого решения проявляются при работе двигателя. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на опорную точку кулачка. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:
снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;
снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачиваются мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;
повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;
повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.
Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемого изобретения.
Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию изобретения к патенту BG 61405 (МПК-7: F02B 57/00, опубл. 1997.07.31). Двигатель состоит из корпуса с внутренней рабочей полостью с поперечным сечением овальной формы, в которую помещен ротор в виде трехгранной призмы с выпуклыми гранями, имеющий по своей оси цилиндрическую полость и связанный этой полостью с эксцентриковым валом. Эксцентрик эксцентрикового вала расположен в цилиндрической полости ротора с возможностью вращения ротора. Ребра ротора снабжены уплотнительными элементами. Вал характеризуется тем, что его эксцентрик выполнен в форме, отличающейся от цилиндрической тем, что на его поверхности выполнены две продольных выемки таким образом, что его поперечное сечение ограничено кривой линией, образованной находящимися напротив друг друга двумя неравными по длине дугами одной окружности, соединенными между собой двумя линиями, изогнутыми внутрь окружности. Толщина эксцентрика вдоль оси равна длине цилиндрической полости ротора. Эксцентрик может быть выполнен либо заодно с валом, либо как отдельная деталь, жестко закрепленная на валу. Техническими результатами такого решения эксцентрикового вала можно признать лишь уменьшение расхода материала на изготовление эксцентрика и улучшенную сбалансированность масс относительно оси вращения вала. Недостаток этого решения состоит в том, что ротор двигателя, оснащенного таким эксцентриковым валом, в момент воспламенения горючей смеси резко смещается, при этом происходит увеличение нагрузки на уплотнительный элемент, установленный в ребре ротора, противоположном грани, испытывающей давление воспламеняющейся смеси, усиливается износ уплотнительного элемента в этот момент времени.
Известен эксцентриковый вал, предназначенный, в частности, для роторного двигателя, по описанию к патенту US 4431327 (МПК-7: B25G 3/00; F16D 1/00; F16G 11/00, опубл. 1984.02.14). Эксцентрик этого вала обладает радиальной подвижностью относительно оси вала. Смещению эксцентрика противодействуют пружины. Такая конструкция не способна предотвратить износ уплотнительных элементов ротора. Кроме того, такая конструкция обладает низкой надежностью, так как подвергаются износу детали крепления эксцентрика к валу.
Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию к патенту US 3359953 (МПК: F02B 53/00, опубл. 1967.12.26), который служит прототипом при описании предлагаемого решения. Эксцентрик этого вала имеет форму цилиндра с высотой (т.е. осью), по существу равной высоте трехгранной призмы, в форме которой выполнен ротор двигателя (за исключением части высоты призмы, равной глубине выемки в призме для закрепления венца внутреннего зацепления передаточного механизма). Диаметр эксцентрика по существу равен диаметру посадочной полости ротора двигателя, раскрытого в описании к патенту US 3359953. Недостаток этого эксцентрикового вала заключается в том, что цилиндрическая форма эксцентрика не позволяет корректировать движение ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадии сжатия горючей смеси, повышается расход топлива.
Указанные выше задачи предлагаемых изобретений решаются тем, что предлагаемый эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле, предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются две точки локального максимума кривизны - опорные точки. Предлагаемый эксцентриковый вал отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Преимущества предлагаемого эксцентрикового вала проявляются при работе роторного двигателя, диаметр посадочной полости ротора которого выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта, противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на ту из опорных точек кулачка, которая расположена сзади, считая по ходу вращения ротора. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:
снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;
снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачивается мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;
повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;
повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.
Дополнительный технический результат состоит в том, что при снижении скорости вращения ротора, например, при работе на холостом ходу, в момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор частично на опорную точку кулачка, расположенную спереди, считая по ходу вращения эксцентрикового вала. Таким образом, при снижении скорости вращения ротора предотвращается снижение степени проявления технических результатов.
Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемых изобретений.
Конструкция и работа предлагаемых технических решений поясняются фигурами, прилагаемыми к настоящему описанию. На фиг.1 представлен упрощенный рисунок сечения предлагаемого роторного двигателя с предлагаемым эксцентриковым валом. Фиг.2 поясняет устройство передаточного механизма. На фиг.3 упрощенно изображен общий вид предлагаемого эксцентрикового вала с опорными точками, обозначенными на поверхности кулачка штриховой линией. На фиг.4 на схематичном изображении сечения двигателя представлены векторы сил, действующих в двигателе в момент воспламенения горючей смеси.
Предлагаемый роторный двигатель состоит из полого корпуса 1, полость 2 которого выполнена в виде цилиндра эпитрохоидального сечения, см. фиг.1. Торцовая крышка корпуса со стороны зрителя на рисунке не показана. По оси корпуса установлен с возможностью вращения вал 3 (удерживается по оси корпуса с помощью торцовых крышек корпуса 1). На валу 3 жестко закреплен эксцентрик 4, а на эксцентрике 4 свободно посажен с возможностью вращения ротор 5. Диаметр цилиндрической посадочной полости 6 ротора 5 превосходит максимальный диаметр эксцентрика 4. В ребрах ротора 5 установлены уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. В корпусе 1 установлены свечи 8 системы зажигания. В торцовой крышке, расположенной со стороны двигателя, противоположной от зрителя, выполнены выпускное 9 и впускное 10 отверстия. Во избежание загромождения фиг.1 деталями, устройство передаточного механизма представлено на фиг.2. Шестерни 11 и 12 выделены штриховкой. Зубцы шестерен изображены упрощенно, их форма и количество условны. Шестерня 11 закреплена на одной из торцовых крышек (не показана) корпуса 1 соосно с эксцентриковым валом 3. Шестерня 12 внутреннего зацепления закреплена на роторе 5. Различные последовательные фазы работы двигателя не приводятся, поскольку они хорошо известны специалистам. Преимущества предлагаемых технических решений проявляются при работе двигателя следующим образом. В момент воспламенения горючей смеси, которому соответствует положение двигателя, изображенное на фиг.1, расширяющиеся газы давят на грань ротора 5, расположенную между уплотнительными элементами 7б и 7в, и ротор 5 поворачивается в направлении, обозначенном на фиг.1, 2 и 4 изогнутой стрелкой без надписи. Под действием давления газов ротор 5 давит на корпус 1 своим уплотнительным элементом 7а, но смещение ротора в предлагаемом двигателе ограничивается опорной точкой 13 эксцентрика 4, которая принимает на себя давление газов, передаваемое через ротор. В точке 14 эксцентрик 4 не соприкасается с ротором 5, в этом месте он проточен для свободного перемещения. Действующие в этот момент силы представлены на фиг.4. Результирующая сила, действующая на ротор 5 со стороны воспламенившихся газов, обозначена стрелкой Р, направленной перпендикулярно плоскости p-p, проходящей через ребра ротора, ограничивающие ту его грань, на которую оказывают давление газы. Сила, действующая со стороны ротора 5 на эксцентрик 4 в опорной точке 13, обозначена стрелкой N и направлена перпендикулярно плоскости n-n, касательной к цилиндрической поверхности посадочной полости 6 ротора 5 в опорной точке 13. Плоскости p-p и n-n образуют «клин» с углом 
, возникающий за счет вращения ротора. Регулировка этого угла позволяет добиться оптимального давления на уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. При перемещении ротора 5 этот «клин» с углом одновременно отклоняет ротор навстречу расширяющимся газам и снимает нагрузку с уплотнительного элемента 7а (такой же «клин» возникает в опорной точке 15 на холостом ходу, при снижении оборотов двигателя). При вращении ротора 5 эксцентрик 4 эксцентрикового вала 3 давит ротором 5 на стенки полости 2 корпуса 1 за счет эффекта клина. Прижимной эффект происходит не за счет подпружиненных уплотнительных элементов, как это происходит в прототипе предлагаемого двигателя, а за счет вращения ротора. И в особо важный момент - детонации горючей смеси, момент интенсивного износа уплотнительного элемента переносится на эксцентрик. При этом достигаются технические результаты: снижается износ уплотнительных элементов, снижается токсичность выхлопных газов, повышается мощность двигателя, снижаются расход топлива и его потери.
Предлагаемые изобретения могут использоваться в двигателестроении вообще, в частности в производстве двигателей для автомобилей.
1. Роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы, по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», отличающийся тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
2. Эксцентриковый вал, отличающийся тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле.
www.freepatent.ru
Изобретения относятся к роторным двигателям с эксцентриковым валом. Роторный двигатель содержит корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью. По оси рабочей полости расположен эксцентриковый вал. Ротор выполнен в виде треугольной призмы, по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала. Ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения. Передаточный механизм обеспечивает при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного объема и обеспечивает соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному». Один из элементов передаточного механизма неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса. Эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов. Эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка. Диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала. Рабочая часть кулачка выполнена с двумя опорными точками в профиле. Техническим результатом является снижение токсичности выхлопных газов, увеличение срока эксплуатации, мощности и экономичности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретения относятся к области роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые часто называют роторными двигателями внутреннего сгорания (для краткости - роторные двигатели) или двигателями Ванкеля (см., например, «Советский Энциклопедический Словарь», Москва, 1987, с.193). Более точно, предлагаемый роторный двигатель относится к разновидности роторных двигателей, рабочая полость которых имеет в сечении овал либо близкую к овалу фигуру в виде контура цветка с двумя «лепестками», ротор в форме призмы имеет три одинаковых рабочих поверхности (грани), а предлагаемый эксцентриковый вал предназначен для использования в предлагаемом роторном двигателе, и, соответственно, относится к эксцентриковым валам (т.е. к передаточным валам, снабженным эксцентриками), предназначенным для использования в роторных двигателях.
Особенность двигателей Ванкеля заключается в том, что многогранный ротор, связанный с эксцентриковым валом (аналогом коленчатого вала) и выполняющий функцию, аналогичную функции поршня шатунно-поршневых двигателей, при движении циклически описывает своими ребрами, разделяющими рабочие поверхности, так называемую эпитрохоидальную поверхность. При этом каждая грань ротора и ближайший к ней участок внутренней овальной поверхности рабочей полости корпуса вместе с торцовыми поверхностями рабочей полости образуют замкнутую полость - рабочую камеру - переменного объема, в которой попеременно совершаются две стадии расширения и две стадии сжатия за один полный оборот ротора, что соответствует известному четырехтактному циклу работы шатунно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Для поддержания герметичности рабочих камер установлены уплотнительные элементы, в частности, в ребрах призмы ротора. Цикличность движения ротора обеспечивается передаточным механизмом, выполненным, например, в виде пары шестерен, большая из которых, закрепленная на роторе, имеет внутреннее расположение зубьев и обкатывается вокруг меньшей шестерни, закрепленной на корпусе двигателя коаксиально с эксцентриковым валом. Возможен выбор такого передаточного числа этого механизма, что каждая точка ротора за время одного оборота ротора вокруг своей оси описывает целое число k сегментов известной в геометрии кривой линии - эпитрохоиды. По эпитрохоиде, циклически описываемой вершинами правильного (k+1)-угольного многоугольника, можно построить цилиндрическую эпитрохоидальную поверхность. Эта поверхность, или близкая к ней поверхность, выбирается в качестве криволинейной внутренней поверхности рабочей полости двигателя Ванкеля, а сам этот упомянутый многоугольник выбирается в качестве основания призмы, в форме которой выполняется ротор для этого двигателя. Плоские параллельные друг другу внутренние поверхности рабочей полости образуются торцовыми участками корпуса двигателя, например крышками. Подробно взаимосвязь геометрических параметров роторного двигателя раскрывается, например, в описании к патенту US 2988065, F01C 1/00, 1961.06.13 и в описании к патенту GB 583035, F01C 1/00, 1946.12.05. Для двигателей с трехгранным ротором (к числу которых относятся предлагаемый двигатель и аналогичные двигатели, упомянутые далее в настоящем описании) в зависимости от соотношения геометрических параметров, в частности, эксцентриситета эксцентрика вала и характерного размера в поперечном сечении ротора, эпитрохоида может иметь форму всюду выпуклого овала либо овала, «передавленного» по меньшему диаметру («двухлепестковый цветок»), а соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала составляет «три к одному» и обеспечивается вышеупомянутым передаточным механизмом. Эксцентриковый вал, применяемый в роторных двигателях внутреннего сгорания, может применяться и в других типах устройств, в частности в роторных насосах. Как правило, эксцентрик выполняется в форме цилиндра (здесь и далее в тексте цилиндр считается круговым, т.е. имеющим поперечное сечение в виде круга, если не оговорено иное), но известны исключения. Помимо упомянутых деталей (корпус с рабочей полостью, торцовые крышки, ротор с уплотнительными элементами, эксцентриковый вал, передаточный механизм) двигатели, к числу которых принадлежит предлагаемое устройство, снабжены системами зажигания, подачи топлива, воздуха, отвода продуктов сгорания, смазки, охлаждения и другими системами, которые не рассматриваются в настоящем описании предлагаемых изобретений. Грани ротора могут быть выполнены выпуклыми, плоскими или вогнутыми. Для простоты в настоящем описании рассматриваются двигатели с одним ротором, но суть изобретения распространяется также на двигатели с несколькими роторами на общем эксцентриковом валу, снабженном соответствующим количеством эксцентриков.
Известен роторный двигатель по описанию к патенту US 3963387 (МПК-7: F01C 1/02; F04C 17/02; F16H 55/00, опубл. 1976.06.15). Ротор в форме трехгранной призмы снабжен по своей оси цилиндрической полостью. В этой цилиндрической полости расположен цилиндрический эксцентрик эксцентрикового вала, на который ротор опирается через подшипник скольжения. Эксцентрик расположен внутри подшипника с минимальным зазором, который необходим для предотвращения заклинивания эксцентрика в роторе из-за неравномерных температурных деформаций разных материалов, из которых изготовлены ротор, подшипник и эксцентрик, при эксплуатации двигателя. В техническом решении этого двигателя предусмотрен механизм сохранения коаксиальности ротора и эксцентрика при температурных деформациях благодаря оригинальной конструкции закрепления подшипника в роторе. Такое решение позволяет уменьшить зазор, и тем самым уменьшить смещение ротора в момент воспламенения и начала расширения горючей смеси. Все-таки, хотя и в уменьшенной степени, в этом двигателе сохраняется известный недостаток роторных двигателей: из-за смещения ротора резко возрастает нагрузка на уплотнительный элемент, расположенный на ребре ротора, противоположном грани ротора, испытывающей давление расширяющихся газов. Это ведет к ускоренному износу уплотнительных элементов, к увеличению перетекания газов между смежными камерами, из-за чего снижаются мощность двигателя и полнота сгорания топлива, повышается токсичность отработанных газов.
Известен роторный двигатель, наиболее близкий к предлагаемому решению, из описания изобретения «РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» к патенту SU 131592 (класс 46а5, 1, заявл. 1960.03.07 за №657584/27). Двигатель состоит из корпуса с ограниченной с двух сторон торцами корпуса рабочей полостью овального поперечного сечения, из ротора в виде призмы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника с выпуклыми сторонами, из неподвижно закрепленной на центре одного из торцов корпуса шестерни, из венца внутреннего зацепления, «заделанного в ротор», из эксцентрикового вала с эксцентриком цилиндрической формы. Кинематическая связь вала с ротором осуществляется при помощи эпициклического зубчатого передаточного механизма с передаточным отношением 3:2 и эксцентрика. При вращении ротора его ребра описывают криволинейную эптрохоидальную поверхность. Двигатель снабжен оригинальной системой уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, обеспечивающей радиальную подвижность подпружиненных уплотнительных элементов в пазах, выполненных в ребрах ротора, благодаря чему несколько уменьшается разрушительная нагрузка на эти уплотнительные элементы в момент воспламенения горючей смеси и смещения ротора в пределах зазора его посадки на эксцентрик вала. Недостатком этого двигателя является сложность оригинальной системы уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, и недостаточное снижение нагрузки на уплотнительные элементы. Одной из причин этого недостатка является широко известная и типичная для известных роторных двигателей конструкция эксцентрикового вала этого двигателя. Цилиндрическая форма эксцентрика не обеспечивает корректировки движения ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Подпружиненный уплотнительный элемент со временем ослабевает, более сильная пружина приводит к преждевременному износу уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадиях сжатия и расширения горючей смеси, снижается экономичность.
Задачи, на решение которых направлены предлагаемые изобретения, состоят в увеличении срока эксплуатации роторного двигателя, в снижении токсичности выхлопных газов, в снижении расхода топлива и в повышении мощности роторного двигателя.
Указанные задачи решаются тем, что роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы (с высотой, равной высоте рабочей полости), по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного во времени объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», дополнительно характеризуется тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен несколько превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, настолько чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
Корпус двигателя содержит две торцовые крышки, одна или обе из которых могут быть съемными. Торцовые крышки корпуса с внутренней стороны имеют плоские участки, перпендикулярные оси эпитрохоидальной цилиндрической полости. В центральной части по меньшей мере одной торцовой крышки выполнено отверстие под установку эксцентрикового вала. В центральной части другой торцовой крышки выполнено либо отверстие под установку эксцентрикового вала, либо установлено приспособление для крепления эксцентрикового вала. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются точки локального максимума кривизны - опорные точки. Свободная (неплотная) посадка ротора на эксцентрик в форме кулачка предполагает, что в положении, когда часть поверхности посадочной полости ротора прижата к опорной точке кулачка, ротор может совершать минимальное (допустимое) качание на опорной точке, при этом диаметрально противоположная часть поверхности посадочной полости ротора может свободно проскальзывать по той части поверхности кулачка, которая диаметрально противоположна опорной точке. Минимальность допустимого качания (поворота вокруг опорной точки) означает, что при таком движении возможная дополнительная деформация каждого уплотнительного элемента является допустимой, неразрушающей, т.е. степень превышения диаметра внутренней полости ротора над максимальным диаметром кулачка должна выбираться в зависимости от параметров используемых уплотнительных элементов.
Предлагаемый роторный двигатель отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
Преимущества предлагаемого решения проявляются при работе двигателя. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на опорную точку кулачка. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:
снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;
снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачиваются мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;
повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;
повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.
Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемого изобретения.
Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию изобретения к патенту BG 61405 (МПК-7: F02B 57/00, опубл. 1997.07.31). Двигатель состоит из корпуса с внутренней рабочей полостью с поперечным сечением овальной формы, в которую помещен ротор в виде трехгранной призмы с выпуклыми гранями, имеющий по своей оси цилиндрическую полость и связанный этой полостью с эксцентриковым валом. Эксцентрик эксцентрикового вала расположен в цилиндрической полости ротора с возможностью вращения ротора. Ребра ротора снабжены уплотнительными элементами. Вал характеризуется тем, что его эксцентрик выполнен в форме, отличающейся от цилиндрической тем, что на его поверхности выполнены две продольных выемки таким образом, что его поперечное сечение ограничено кривой линией, образованной находящимися напротив друг друга двумя неравными по длине дугами одной окружности, соединенными между собой двумя линиями, изогнутыми внутрь окружности. Толщина эксцентрика вдоль оси равна длине цилиндрической полости ротора. Эксцентрик может быть выполнен либо заодно с валом, либо как отдельная деталь, жестко закрепленная на валу. Техническими результатами такого решения эксцентрикового вала можно признать лишь уменьшение расхода материала на изготовление эксцентрика и улучшенную сбалансированность масс относительно оси вращения вала. Недостаток этого решения состоит в том, что ротор двигателя, оснащенного таким эксцентриковым валом, в момент воспламенения горючей смеси резко смещается, при этом происходит увеличение нагрузки на уплотнительный элемент, установленный в ребре ротора, противоположном грани, испытывающей давление воспламеняющейся смеси, усиливается износ уплотнительного элемента в этот момент времени.
Известен эксцентриковый вал, предназначенный, в частности, для роторного двигателя, по описанию к патенту US 4431327 (МПК-7: B25G 3/00; F16D 1/00; F16G 11/00, опубл. 1984.02.14). Эксцентрик этого вала обладает радиальной подвижностью относительно оси вала. Смещению эксцентрика противодействуют пружины. Такая конструкция не способна предотвратить износ уплотнительных элементов ротора. Кроме того, такая конструкция обладает низкой надежностью, так как подвергаются износу детали крепления эксцентрика к валу.
Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию к патенту US 3359953 (МПК: F02B 53/00, опубл. 1967.12.26), который служит прототипом при описании предлагаемого решения. Эксцентрик этого вала имеет форму цилиндра с высотой (т.е. осью), по существу равной высоте трехгранной призмы, в форме которой выполнен ротор двигателя (за исключением части высоты призмы, равной глубине выемки в призме для закрепления венца внутреннего зацепления передаточного механизма). Диаметр эксцентрика по существу равен диаметру посадочной полости ротора двигателя, раскрытого в описании к патенту US 3359953. Недостаток этого эксцентрикового вала заключается в том, что цилиндрическая форма эксцентрика не позволяет корректировать движение ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадии сжатия горючей смеси, повышается расход топлива.
Указанные выше задачи предлагаемых изобретений решаются тем, что предлагаемый эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле, предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются две точки локального максимума кривизны - опорные точки. Предлагаемый эксцентриковый вал отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Преимущества предлагаемого эксцентрикового вала проявляются при работе роторного двигателя, диаметр посадочной полости ротора которого выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта, противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на ту из опорных точек кулачка, которая расположена сзади, считая по ходу вращения ротора. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:
снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;
снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачивается мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;
повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;
повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.
Дополнительный технический результат состоит в том, что при снижении скорости вращения ротора, например, при работе на холостом ходу, в момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор частично на опорную точку кулачка, расположенную спереди, считая по ходу вращения эксцентрикового вала. Таким образом, при снижении скорости вращения ротора предотвращается снижение степени проявления технических результатов.
Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемых изобретений.
Конструкция и работа предлагаемых технических решений поясняются фигурами, прилагаемыми к настоящему описанию. На фиг.1 представлен упрощенный рисунок сечения предлагаемого роторного двигателя с предлагаемым эксцентриковым валом. Фиг.2 поясняет устройство передаточного механизма. На фиг.3 упрощенно изображен общий вид предлагаемого эксцентрикового вала с опорными точками, обозначенными на поверхности кулачка штриховой линией. На фиг.4 на схематичном изображении сечения двигателя представлены векторы сил, действующих в двигателе в момент воспламенения горючей смеси.
Предлагаемый роторный двигатель состоит из полого корпуса 1, полость 2 которого выполнена в виде цилиндра эпитрохоидального сечения, см. фиг.1. Торцовая крышка корпуса со стороны зрителя на рисунке не показана. По оси корпуса установлен с возможностью вращения вал 3 (удерживается по оси корпуса с помощью торцовых крышек корпуса 1). На валу 3 жестко закреплен эксцентрик 4, а на эксцентрике 4 свободно посажен с возможностью вращения ротор 5. Диаметр цилиндрической посадочной полости 6 ротора 5 превосходит максимальный диаметр эксцентрика 4. В ребрах ротора 5 установлены уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. В корпусе 1 установлены свечи 8 системы зажигания. В торцовой крышке, расположенной со стороны двигателя, противоположной от зрителя, выполнены выпускное 9 и впускное 10 отверстия. Во избежание загромождения фиг.1 деталями, устройство передаточного механизма представлено на фиг.2. Шестерни 11 и 12 выделены штриховкой. Зубцы шестерен изображены упрощенно, их форма и количество условны. Шестерня 11 закреплена на одной из торцовых крышек (не показана) корпуса 1 соосно с эксцентриковым валом 3. Шестерня 12 внутреннего зацепления закреплена на роторе 5. Различные последовательные фазы работы двигателя не приводятся, поскольку они хорошо известны специалистам. Преимущества предлагаемых технических решений проявляются при работе двигателя следующим образом. В момент воспламенения горючей смеси, которому соответствует положение двигателя, изображенное на фиг.1, расширяющиеся газы давят на грань ротора 5, расположенную между уплотнительными элементами 7б и 7в, и ротор 5 поворачивается в направлении, обозначенном на фиг.1, 2 и 4 изогнутой стрелкой без надписи. Под действием давления газов ротор 5 давит на корпус 1 своим уплотнительным элементом 7а, но смещение ротора в предлагаемом двигателе ограничивается опорной точкой 13 эксцентрика 4, которая принимает на себя давление газов, передаваемое через ротор. В точке 14 эксцентрик 4 не соприкасается с ротором 5, в этом месте он проточен для свободного перемещения. Действующие в этот момент силы представлены на фиг.4. Результирующая сила, действующая на ротор 5 со стороны воспламенившихся газов, обозначена стрелкой Р, направленной перпендикулярно плоскости p-p, проходящей через ребра ротора, ограничивающие ту его грань, на которую оказывают давление газы. Сила, действующая со стороны ротора 5 на эксцентрик 4 в опорной точке 13, обозначена стрелкой N и направлена перпендикулярно плоскости n-n, касательной к цилиндрической поверхности посадочной полости 6 ротора 5 в опорной точке 13. Плоскости p-p и n-n образуют «клин» с углом α, возникающий за счет вращения ротора. Регулировка этого угла α позволяет добиться оптимального давления на уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. При перемещении ротора 5 этот «клин» с углом α одновременно отклоняет ротор навстречу расширяющимся газам и снимает нагрузку с уплотнительного элемента 7а (такой же «клин» возникает в опорной точке 15 на холостом ходу, при снижении оборотов двигателя). При вращении ротора 5 эксцентрик 4 эксцентрикового вала 3 давит ротором 5 на стенки полости 2 корпуса 1 за счет эффекта клина. Прижимной эффект происходит не за счет подпружиненных уплотнительных элементов, как это происходит в прототипе предлагаемого двигателя, а за счет вращения ротора. И в особо важный момент - детонации горючей смеси, момент интенсивного износа уплотнительного элемента переносится на эксцентрик. При этом достигаются технические результаты: снижается износ уплотнительных элементов, снижается токсичность выхлопных газов, повышается мощность двигателя, снижаются расход топлива и его потери.
Предлагаемые изобретения могут использоваться в двигателестроении вообще, в частности в производстве двигателей для автомобилей.
1. Роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы, по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», отличающийся тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.
2. Эксцентриковый вал, отличающийся тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле.
bankpatentov.ru
Изобретение относится к машиностроению, а именно к эксцентриковым валам. Эксцентриковый вал содержит цилиндрический вал, диски-эксцентрики, диски-ограничители и средство качения, связанное посредством шатуна с исполнительным звеном. Диски-эксцентрики выполнены либо с одной стороны, либо с двух сторон дисков-ограничителей. На наружной радиальной поверхности дисков-эксцентриков выполнены шлицы, совместимые с ответными шлицами на поверхности внутренней обоймы подшипников качения. Наружная обойма подшипников качения связана с рычагами или шатунами для передачи линейного возвратно-поступательного движения исполнительному узлу. Решение направлено на повышение надежности и расширение области применения эксцентриковых валов. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных механизмах для преобразования вращательного движения в линейное возвратно-поступательное или поступательное движение, в частности в оппозитных, крестообразных и V-образных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Широко известны эксцентриковые валы, взаимодействующие с исполнительным узлом по принципу скольжения, например распредвал в системе газораспределения ДВС. Основные недостатки - это ограниченная область применения, повышенный шум и износ кулачков вала и рычагов, следствием чего является периодический ремонт, регулирование зазоров клапанов или замена деталей.
В изобретении «Эксцентриковое шатунное устройство» (патент РФ №95120917, F16C 1/00, 1995) эксцентрик имеет форму неправильного круга, а шатун взаимодействует с эксцентриком с помощью 4-х подшипников качения, расположенных в корпусе шатуна по окружности через 90 градусов. Среди основных недостатков следует отметить сложность конструкции и низкую надежность при работе устройства на повышенных частотах вращения цилиндрического вала и, как следствие, ограниченный срок эксплуатации.
Известно также изобретение (патент РФ №2178106, F16H 21/18, 1999) «Эксцентриковый шатун» принятое за прототип, в котором диск-эксцентрик с круглым отверстием насажен на цилиндрический вал и жестко закреплен на нем. Диск-эксцентрик, выполненный с возможностью вращения вместе с цилиндрическим валом вокруг одной общей оси, проходящей через центр эксцентриситетного отверстия диска-эксцентрика и вдоль оси цилиндрического вала, связан средствами качения со звеньями шатуна, который имеет возможность возвратно-поступательного перемещения. Изобретение имеет значительные преимущества перед другими видами преобразования вращательного движения в линейные возвратно-поступательные, или качательные перемещения и значительно расширяет область использования такого вида преобразования в различных отраслях машиностроения.
Однако в конструкции прототипа также имеются недостатки, среди которых следует отметить низкую надежность эксцентрикового шатуна при его работе на повышенных частотах вращения цилиндрического вала, относительную сложность конструкции, отсутствие возможности регулировки диска-эксцентрика в радиальном и угловом смещении, недостаточно широкую область применения, относительно высокий уровень затрат и времени на его изготовление и сборку.
Расчеты показывают, что уже при вращении цилиндрического вала с диском-эксцентриком с частотой более 100 оборотов в минуту необходимо компенсировать вибрации с помощью противовесов, при этом наиболее надежной конструкцией в системе цилиндрический вал - диск-эксцентрик - шатун является конструкция, когда радиус цилиндрического вала равен радиусу кривошипа или больше радиуса кривошипа. Другими словами, когда сумма длин радиусов кривошипа и цилиндрического вала не превышает длины радиуса диска-эксцентрика. Низкая надежность устройства эксцентрикового вала, в котором радиус диска-эксцентрика больше суммы радиусов кривошипа и цилиндрического вала, проявляется в том, что при повышенных частотах вращения цилиндрического вала с диском-эксцентриком в конструкции прототипа будут возникать вибрации в радиальном направлении, которые могут приводить к быстрому износу средств качения и звеньев шатуна и к их возможному разрушению. Такие вибрации наиболее сильно будут проявляться в конструкциях с нечетным числом шатунов, устранить которые с помощью различных противовесов достаточно сложно, а порой и невозможно. Наличие вибраций в системе цилиндрический вал - диск-эксцентрик - шатун будет создавать также дополнительные нагрузки на элементы крепления цилиндрического вала, особенно когда конструкция выполнена в консольном варианте. Кроме того, при выполнении отверстия в диске-эксцентрике могут возникать напряжения, снижающие прочностные характеристики материала, что при повышенных частотах вращения также может приводить к быстрой усталости материала диска-эксцентрика и к его преждевременному разрушению.
При больших частотах вращения цилиндрического вала с диском-эксцентриком (свыше 100 оборотов в минуту) радиальные вибрации будут «способствовать» ослаблению жесткости двухсторонней фиксации и шпоночного соединения диска-эксцентрика на цилиндрическом валу. В результате этого будут также возникать и продольные колебания диска-эксцентрика относительно цилиндрического вала, что будет ограничивать срок службы устройства.
Целью настоящего технического решения является улучшение характеристик прототипа, а именно: повышение его надежности; упрощение конструкции; уменьшение времени и затрат на его изготовление и сборку и расширение области применения.
Поставленная цель достигается тем, что эксцентриковый вал, включающий цилиндрический вал, диск-эксцентрик и диск-ограничитель, закреплен с помощью подшипников либо с одного торца, либо с двух торцов на жестком основании, цилиндрический вал выполнен заодно с диском-ограничителем и, по меньшей мере, с одним диском-эксцентриком, а диски-эксцентрики выполнены либо с одной стороны, либо с двух сторон диска-ограничителя, при этом радиусы кривошипов либо совпадают друг с другом в радиальном направлении, либо смещены относительно друг друга по окружности на угол, кратный 90 градусов, с возможностью применения эксцентрикового вала, например, в поршневом ДВС, а на наружной радиальной поверхности дисков-эксцентриков выполнены шлицы, совместимые с ответными шлицами на поверхности внутренней обоймы подшипников качения с возможностью их плотной посадки на диски-эксцентрики, наружная обойма подшипника качения связана с рычагом или шатуном, который передает линейное возвратно-поступательное движение исполнительному узлу, а вращение эксцентрикового вала происходит вокруг оси, проходящей через центр цилиндрического вала, при этом длина радиуса кривошипа либо не превышает длину радиуса цилиндрического вала при оборотах эксцентрикового вала более 100 оборотов в минуту, либо длина радиуса кривошипа больше длины радиуса цилиндрического вала при оборотах эксцентрикового вала менее чем 100 оборотов в минуту.
Надежность работы эксцентрикового вала при повышенных частотах его вращения обеспечивается тем, что цилиндрический вал изготавливают заодно с диском-ограничителем и заодно либо с одним, либо с двумя и более дисками-эксцентриками по обе стороны диска-ограничителя.
Упрощение конструкции, а также уменьшение времени и затрат на ее изготовление и сборку заключается в том, что цилиндрический вал, диск-ограничитель и диск-эксцентрик являются одной деталью, а конструкцию изготавливают в течение одной операции на токарном станке, не снимая заготовки. При этом повышается точность изготовления эксцентрикового вала, что существенно влияет на уменьшение вибраций в процессе его эксплуатации.
Расширение области применения осуществляется за счет различных вариантов конструктивного исполнения эксцентрикового вала.
Упрощение сборки и разборки при замене деталей в случае их износа упрощается применением шлицевого соединения диска-эксцентрика с подшипником качения. Выполнение шлицов на поверхности диска-эксцентрика и ответных шлицов на внутренней обойме подшипника качения также обеспечивает надежность соединения конструкции при больших частотах вращения эксцентрикового вала. Указанные изменения в конструкции позволяют применять эксцентриковый вал при повышенных частотах вращения в устройствах с различным числом исполнительных узлов.
Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что предложена новая более простая конструкция эксцентрикового вала с повышенной надежностью, с уменьшением затрат и времени на ее изготовление и сборку, с более широкой областью применения, что позволяет судить о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен продольный разрез эксцентрикового вала в консольном исполнении, у которого радиус кривошипа (Rкр) меньше радиуса цилиндрического вала (Rв), на фиг.2 приведен продольный разрез эксцентрикового вала в консольном исполнении, у которого радиус кривошипа равен радиусу цилиндрического вала, на фиг.3 приведен продольный разрез эксцентрикового вала в консольном исполнении, у которого диски-эксцентрики выполнены по обеим сторонам диска-ограничителя, на фиг.4 приведен продольный разрез эксцентрикового вала со съемными дисками-эксцентриками, выполненными отдельно от цилиндрического вала и закрепленными на диске-ограничителе, на фиг.5 приведен продольный разрез эксцентрикового вала с разнесенными по длине дисками-ограничителями и дисками-эксцентриками, выполненными заодно с цилиндрическим валом, на фиг.6 приведен поперечный разрез эксцентрикового вала в сборе с подшипником качения, на фиг.7 приведен продольный разрез эксцентрикового вала с четырьмя дисками-эксцентриками, смещенными относительно друг друга по окружности на 90 градусов, на фиг.8 приведен вариант использования эксцентрикового вала в поршневом устройстве классического ДВС, на фиг.9, 10, 11 приведен вид, соответственно крестообразного, оппозитного и V-образного ДВС с использованием эксцентрикового вала.
Эксцентриковый вал (фиг.1) представляет собой конструкцию, у которой цилиндрический вал 1 выполнен заодно с диском-эксцентриком 2 и диском-ограничителем 3, при этом радиус цилиндрического вала 1 (Rв) больше радиуса кривошипа (Rкр.). Конструкция эксцентрикового вала (фиг.2) выполнена так же, как и конструкция на фиг.1, но радиус цилиндрического вала 1 равен радиусу кривошипа. Оба варианта конструкции (фиг.1, 2) могут быть использованы в узлах механизмов с повышенной частотой вращения эксцентрикового вала как с одним, так и с двумя исполнительными узлами, например с одним или с двумя оппозитными шатунами, соединенными с поршнями. Консольный вариант эксцентрикового вала (фиг.3) может быть использован в схемах с двумя или с четырьмя оппозитными шатунами. Цилиндрический вал 1 (фиг.1, 2, 3) закрепляют на жестком основании с помощью одного или двух подшипников 4. Приведенные консольные варианты конструкций (фиг.1, 2, 3) могут быть использованы в различных механизмах с повышенной частотой вращения эксцентрикового вала.
В варианте конструкции эксцентрикового вала (фиг.5) диски-ограничители 3 и диски-эксцентрики 2 выполнены заодно с цилиндрическим валом 1 и расположены симметрично от его центра по торцам цилиндрического вала 1. На фиг.6 представлен поперечный разрез эксцентрикового вала в сборе с подшипником качения 6, установленного на диске-эксцентрике 2 с помощью шлицов 5. Шлицы 5 могут быть нанесены либо полностью на наружной радиальной поверхности диска-эксцентрика, либо на отдельных диаметрально противоположных сегментах наружной поверхности диска-эксцентрика. Подшипник качения 6 также выполнен с ответными шлицами на его внутренней обойме, что обеспечивает его плотную посадку на диск-эксцентрик. В некоторых случаях, при отсутствии шлицов, подшипник качения 6 может быть также запрессован на диске-эксцентрике 2. На диски-эксцентрики могут быть насажены средства качения в виде либо шарикового, либо роликового подшипника качения. В конструкциях эксцентрикового вала (фиг.1, 2, 4, 5) радиусы кривошипов (Rкр) совпадают друг с другом, а в конструкции эксцентрикового вала (фиг.3) радиусы кривошипов (Rкр) смещены относительно друг друга по окружности на 180 градусов (оппозитное исполнение). На фиг.7 представлен эксцентриковый вал с цилиндрическим валом, выполненным заодно с дисками-эксцентриками 2, расположенными по обе стороны диска-ограничителя 3 (по два с каждой стороны) и смещенными относительно друг друга по окружности на 90 градусов. Такая конструкция эксцентрикового вала может быть использована в поршневом устройстве классического ДВС. Схема 4-поршневого ДВС с использованием цилиндрического вала, изготовленного заодно с диском-ограничителем и дисками-эксцентриками, смещенными относительно друг друга по окружности на 90 градусов, приведена на фиг.8. На фиг.9, 10, 11 приведены схемы использования эксцентрикового вала в поршневых устройствах, соответственно крестообразного, оппозитного и V-образного ДВС и виды их поперечных разрезов с торца эксцентрикового вала.
Длину каждого диска-эксцентрика выполняют с учетом толщины промежуточной шайбы 9, отделяющей каждый последующий подшипник качения 6 от предыдущего на заданное расстояние, при этом промежуточную шайбу закрепляют с помощью винтов и радиальных резьбовых отверстий на дисках-эксцентриках.
Использование эксцентриковых валов в напряженных условиях работы, например в поршневом устройстве ДВС или в качестве распредвала требует одновременного охлаждения и смазки вращающихся деталей и узлов, В этих случаях эксцентриковые валы в сборе с подшипниками качения 6 обеспечиваются смазкой, предусмотренной в самой системе двигателя и не требуют дополнительного устройства для удержания смазки в подшипниках качения 6, соединенных с дисками-эксцентриками. В других случаях для удержания в подшипниках качения 6 смазки могут быть установлены герметичные вводы вращения из керамики или металлокерамики, выполняющие роль торцовых уплотнений (на чертежах не показаны).
При сборке на шлицы дисков-эксцентриков устанавливают подшипники качения 6, отделенные друг от друга промежуточными шайбами 9. Подшипники качения 6 от продольного смещения с одной стороны ограничивает диск-ограничитель 3, а с другой стороны с помощью винтов и резьбовых отверстий в торце диска-эксцентрика устанавливают стопорные шайбы 10.
В процессе эксплуатации часто возникает необходимость замены отдельных деталей. При этом шлицевые соединения 5 обеспечивают не только надежность соединения, но и дают возможность достаточно легко собрать и разобрать такое соединение.
В случае, когда диски-эксцентрики выполняют отдельно от цилиндрического вала с возможностью их перемещения относительно цилиндрического вала в радиальном направлении с целью изменения длины хода шатуна или углового смещения, диски-эксцентрики выполняют с отверстиями. При этом на диске-ограничителе также выполняют отверстия в виде пазов, а на диске-эксцентрике внутреннее отверстие выполняют в виде эллипса, малый радиус которого с небольшим припуском равен радиусу цилиндрического вала. Для перемещения диска-эксцентрика ослабляют стягивающие диск-ограничитель и диск-эксцентрик винты перемещают диск-эксцентрик и снова закрепляют винты. Продольное смещение дисков-эксцентриков осуществляют установкой промежуточных шайб одинаковой или различной толщины между диском-ограничителем и подшипниками качения.
При больших частотах вращения эксцентрикового вала важным моментом является соотношение длин радиусов диска-эксцентрика, кривошипа и цилиндрического вала. Если эксцентриковый вал с нечетным числом шатунов вращается с частотой более чем 100 оборотов в минуту, то сумма длин радиусов цилиндрического вала и кривошипа не должна превышать длину радиуса диска-эксцентрика, в противном случае возникающие при этом радиальные вибрации достаточно сложно погасить применением различного рода противовесов.
При использовании конструкций с несколькими исполнительными узлами как с односторонним линейным перемещением, так и с оппозитным, диски-эксцентрики по обе стороны диска-ограничителя выполняют удлиненными с таким расчетом, чтобы можно было закрепить на шлицах дисков-эксцентриков нужное число подшипников качения 6 с учетом толщины промежуточных шайб 9, отделяющих один подшипник качения 6 от другого на необходимое расстояние. Для повышения надежности соединений эксцентрикового вала промежуточные шайбы 9 одинаковой или различной толщины также изготавливают со шлицами на их внутренней поверхности. При этом вся конструкция закрепляется с торцов дисков-эксцентриков 2 с помощью стопорных шайб 10 и винтов.
В некоторых конструкциях могут быть изготовлены эксцентриковые валы, когда на цилиндрическом валу либо с одной стороны диска-ограничителя, либо с двух его сторон выполнены ступенчатые диски-эксцентрики (несколько ступеней), которые обеспечивают разный ход шатунов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными автору техническими решениями обладает (техническими) преимуществами, которые заключаются в повышении надежности, упрощении конструкции, уменьшении времени и затрат на его изготовление и сборку и расширении области применения эксцентрикового вала.
1. Эксцентриковый вал, содержащий диск-эксцентрик, цилиндрический вал и средство качения, связанное посредством шатуна с исполнительным звеном с возможностью линейного возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что эксцентриковый вал, включающий цилиндрический вал, диски-эксцентрики и диски-ограничители, закреплен с помощью подшипников либо с одного торца, либо с двух торцов на жестком основании, цилиндрический вал выполнен заодно, по меньшей мере, с одним диском-ограничителем и, по меньшей мере, с одним диском-эксцентриком, а диски-эксцентрики выполнены либо с одной стороны, либо с двух сторон дисков-ограничителей, при этом радиусы кривошипов либо совпадают друг с другом, либо смещены относительно друг друга по окружности на угол кратный 90° с возможностью применения эксцентрикового вала, например, в поршневых ДВС, на наружной радиальной поверхности дисков-эксцентриков выполнены шлицы, совместимые с ответными шлицами на поверхности внутренней обоймы подшипников качения с возможностью их плотной посадки на диски-эксцентрики, наружная обойма подшипников качения связана с рычагами или шатунами, которые передают линейное возвратно-поступательное движение исполнительному узлу, а вращение эксцентрикового вала происходит вокруг оси, проходящей через центр цилиндрического вала, при этом длина радиусов кривошипов либо не превышает длину радиуса цилиндрического вала при оборотах эксцентрикового вала более 100 оборотов в минуту, либо длина радиусов кривошипов больше длины радиуса цилиндрического вала при оборотах эксцентрикового вала менее чем 100 оборотов в минуту.
2. Эксцентриковый вал по п.1, отличающийся тем, что на цилиндрическом валу с одним диском-ограничителем либо с одной стороны диска-ограничителя, либо с двух его сторон выполнены диски-эксцентрики, имеющие разные радиусы кривошипов, с возможностью обеспечения разного хода шатунов.
3. Эксцентриковый вал по п.1, отличающийся тем, что диски-эксцентрики выполнены удлиненными в продольном направлении с возможностью установки на них нужного числа подшипников качения, которые отделены друг от друга с помощью промежуточных шайб одинаковой или различной толщины.
4. Эксцентриковый вал по п.1, отличающийся тем, что шлицы могут быть нанесены на отдельных диаметрально противоположных сегментах наружной поверхности дисков-эксцентриков.
5. Эксцентриковый вал по п.1, отличающийся тем, что на дисках-эксцентриках закреплены средства качения в виде подшипников либо шарикового, либо роликового исполнения.
6. Эксцентриковый вал по п.1, отличающийся тем, что подшипники качения запрессованы на дисках-эксцентриках.
7. Эксцентриковый вал по п.1, отличающийся тем, что его используют в механизмах с поршневой системой, например, в конструкциях либо крестообразных, либо оппозитных, либо V-образных ДВС.
www.findpatent.ru
Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель включает цилиндры, встречно-движущиеся поршни, шаровой шатун, беспальцевый поршень. В центре устройства проходит вал и закрепленные под углом два фланцево-эксцентриковых преобразователя движения на вращение. При давлении шатуна на кожух вал начинает вращаться, а сам кожух, имея накладки и подшипники, удерживается на вращающихся эксцентриках фланца. Круглосекторное устройство крепления цилиндров состоит из двух дисковых стоек, с внутренней стороны соединенных между собой трубой или обоймой. Имеются цилиндровые постели, в них укладываются цилиндры и закрепляются крышками. К стойкам крепятся съемные подшипниковые стаканы, на фланец подшипникового стакана крепится половинка муфты, на кожух фланца крепится вторая половинка муфты. Муфты не дают кожуху вращаться. С внешней стороны находятся страховочные упоры кожуха, на стойки упоров крепится наружная муфта, что не мешает обоим кожухам совершать с шаровым пустотелым шатуном возвратно-поступательное движение. На цилиндр крепятся две камеры сгорания, в камере сгорания установлен нейтрализатор с щелевым соплом и два электрода. Технический результат заключается в увеличении экономичности и моторессурса и улучшении экологических показателей двигателя. 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно - к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано везде, где применяются двигатели внутреннего сгорания.
Из патента США N 2379119, МПК F 02 B 75/26, опубл. 1945, известен фланцево-эксцентриковый двигатель внутреннего сгорания, включающий цилиндры, встречно-движущиеся поршни, шаровой шатун, беспальцевый поршень, в центре устройства проходит вал и закрепленные под углом два фланцево-эксцентриковых преобразователя движения на вращение, причем при давлении шатуна на кожух вал начинает вращаться, а сам кожух, имея накладки и подшипники, удерживается на вращающихся эксцентриках фланца. Известный двигатель загрязняет атмосферу, обладает недостаточным моторесурсом, сложностью изготовления и небольшим коэффициентом полезного действия. Задачей изобретения является увеличение экономичности и моторесурса и улучшение экологических показателей за счет отмены антидетонационных добавок в топливо. Удвоение степени сжатия обеспечивается за счет увеличения диаметра цилиндра компрессора. Поставленная задача решается тем, что фланцево-эксцентриковый двигатель внутреннего сгорания, включающий цилиндры, встречно-движущиеся поршни, шаровой шатун, беспальцевый поршень, в центре устройства проходит вал и закрепленные под углом два фланцево-эксцентриковых преобразователя движения на вращение, причем при давлении шатуна на кожух вал начинает вращаться, а сам кожух, имея накладки и подшипники, удерживается на вращающихся эксцентриках фланца, согласно изобретению имеет кругло-секторное устройство крепления цилиндров, состоящее из двух дисковых стоек, с внутренней стороны соединенных между собой трубой или обоймой, имеющими цилиндровые постели, в них укладываются цилиндры и закрепляются крышками, к стойкам крепятся съемные подшипниковые стаканы, на фланец подшипникового стакана крепится половинка муфты, на кожух фланца крепится вторая половинка, муфты не дают кожуху вращаться, с внешней стороны находятся страховочные упоры кожуха, на стойки упоров крепится наружная муфта, что не мешает обоим кожухам совершать с шаровым пустотелым шатуном возвратно-поступательное движение, на цилиндр крепятся две камеры сгорания, в камере сгорания установлен нейтрализатор с щелевым соплом и два электрода. На фиг. 1 показан разрез двигателя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - камера сгорания и клапан воздухопровода. На фигурах 1 - 3 позициями обозначены следующие элементы двигателя: 1 - кругло-секторное устройство крепления цилиндров 2 - дисковая стойка 3 - труба или обойма 4 - постель цилиндров 5 - цилиндры 6 - крышка крепления цилиндров 7 - съемные подшипниковые стаканы 8 - зубчатый фланец-шестерня 9 - фланец с пальцами и шаровыми втулками 10 - кожух 11 - зубчатая шайба на кожухе 12 - другой (второй) кожух 13 - шайба с вертикальными окнами 14 - предохранительные упоры кожуха 15 - внутренняя муфта кожуха 16 - наружная муфта кожуха 17 - вал фланцево-эксцентрикового преобразователя 18 - фланец 19 - эксцентрик 20 - кожух 21 - накладка кожуха 22 - подшипники кожуха 23 - шаровой шатун с беспальцевым поршнем 24 - съемная камера сгорания 25 - нейтрализатор с щелевым соплом (калильная трубка) 26 - электроды 27 - клапанный по концам, самозапирающийся воздухопровод. Кругло-секторное устройство 1 крепления цилиндров состоит из двух дисковых стоек 2, с внутренней стороны соединенных между собой трубой или обоймой 3. Имеются цилиндровые постели 4, в них укладываются цилиндры 5 и закрепляются полукольцевыми крышками 6 крепления цилиндров. С внешней стороны к стойкам крепятся съемные подшипниковые стаканы 7. Фланец 8 подшипникового стакана является зубчатой шестерней. На другой фланец 9 крепятся пальцы с шаровыми втулками. На кожух 10 крепится зубчатая шайба 11, на другой кожух 12 крепится шайба 13 с вертикальными окнами. Еще с внешней стороны крепятся предохранительные (страховочные) упоры 14 кожуха, которые вступают в соприкосновение с кожухом только при поломке внутренней (основной) 15 и наружной (дополнительной) муфты 16. В центре устройства проходит вал 17 и закрепленные на валу под углом два фланцево-эксцентриковых преобразователя движения на вращение, состоящие из фланца 18 и эксцентрика 19. При прохождении условной мертвой точки фланцем на 10o эксцентрики 19 и фланцы 18 начинают работать, как лопасть турбины, Сам кожух 20, имея накладки 21, играющие роль вкладышей, и подшипники 22, удерживается на вращающихся эксцентриках 19. Для распределения тепла по поршневой площади на цилиндр 5 крепятся по две камеры сгорания 24. Для попадания газов в межпоршневое пространство нейтрализатор (калильная трубка) 25 имеет щелевое сопло. Опасно делать фланцы 18 большого диаметра, на случай облома осколки могут иметь пробойную силу, нельзя и отказаться от фланцев 18, они снимают перегрузки с подшипников 22. Для теплоизоляции форсунок и стенок камеры сгорания должен быть достаточный зазор от калильной трубки-нейтрализатора 25, установленной в камере сгорания на кольцах. В камере сгорания устанавливаются два электрода 26 для микроволнового или импульсно-конденсаторного воспламенения и клапанный по концам, самозапирающийся воздухопровод 27. При проворачивании стартером фланцев 18 кожух 20 делает возвратно-поступательное движение. Двигатель работает по двухтактной схеме с принудительной продувкой.Формула изобретения
Фланцево-эксцентриковый двигатель внутреннего сгорания, включающий цилиндры, встречнодвижущиеся поршни, шаровой шатун, беспальцевый поршень, в центре устройства проходит вал и закрепленные под углом два фланцево-эксцентриковых преобразователя движения на вращение, причем при давлении шатуна на кожух вал начинает вращаться, а сам кожух, имея накладки и подшипники, удерживается на вращающихся эксцентриках фланца, отличающийся тем, что имеет круглосекторное устройство крепления цилиндров, состоящее из двух дисковых стоек, с внутренней стороны соединенных между собой трубой или обоймой, имеющими цилиндровые постели, в них укладываются цилиндры и закрепляются крышками, к стойкам крепятся съемные подшипниковые стаканы, на фланец подшипникового стакана крепится половинка муфты, на кожух фланца крепится вторая половинка, муфты не дают кожуху вращаться, с внешней стороны находятся страховочные упоры кожуха, на стойки упоров крепится наружная муфта, что не мешает обоим кожухам совершать с шаровым пустотелым шатуном возвратно-поступательное движение, на цилиндр крепятся две камеры сгорания, в камере сгорания установлен нейтрализатор с щелевым соплом и два электрода и клапанный, по концам запирающийся, воздухопровод.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3Похожие патенты:
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к производству двигателей экологически чистых
Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую полезную работу
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к четырехтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в различных энергетических установках летательных аппаратов, автомобилей, катеров и т
Изобретение относится к двигателестроению
Изобретение относится к двигателям для автомобильной и авиационной промышленности и позволяет повысить степень сжатия, снизить динамические нагрузки, уменьшить вес, габариты и упростить конструкцию
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и позволяет повысить надежность работы двигателя при высоких динамических нагрузках, возможность форсировки (увеличения мощности) двигателя за счет изменения (увеличения) рабочего хода и устойчивости поршня, исключая возможность его перекоса и заклинивания
Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению
Изобретение относится к автомобильному и тракторному машиностроению
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к автомобильному и тракторному машиностроению
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании поршневых машин с криволинейными поверхностями, в частности двигателей внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к транспортным энергетическим установкам с поршневыми двигателями внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных энергетических установках летательных аппаратов, автомобилей, быстроходных катеров и т.д
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно - к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано везде, где применяются двигатели внутреннего сгорания
www.findpatent.ru
