Синхронный двухроторный поршневой двигатель Евсеенко-2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СИНХРОННЫЙ ДВУХРОТОРНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ЕВСЕЕНКО-2(73) Патентообладатель Евсеенко Николай Гордеевич(57) Синхронный двухроторный поршневой двигатель, содержащий неподвижный корпус с каналами впуска и выпуска и полостями, образованными, по меньшей мере, двумя симметрично расположенными цилиндрическими поверхностями, роторные камеры сгорания с перепускными каналами, два цилиндрических золотника и размещенные в полостях центрально-симметрично роторы с валами и противовесами, кинематически связанные между собой и образующие с корпусом четыре полости переменного объема две смесительные впуска-сжатия и две расширения - выпуска, причем перепускные каналы расположены с возможностью последовательного сообщения каждой камеры сгорания с соответствующими полостями впуска-сжатия и расширения-выпуска, отличающийся тем, что он снабжен центральным поворотным шарниром, выполненным с центральным пазом, роторы установлены на валах эксцентрично с 1942 1 возможностью касания соответствующих им цилиндрических поверхностей, снабжены разделительными заслонками, жестко связанными с роторами и установленными в пазу центрального шарнира с возможностью взаимного радиального перемещения и сопряжения между собой и пазом центрального шарнира, цилиндрические золотники выполнены поворотными, жестко связаны с разделительными пластинами, подпружиненными в сторону роторов, снабжены впускными окнами для сообщения каналов впуска с полостью впускасжатия и выпускными окнами для сообщения каналов выпуска с полостью расширения-выпуска. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между ротором и валом установлен роликовый подшипник,вал снабжен эксцентриковой втулкой, жестко связанной с его внутренней обоймой, и соединенными со втулкой листовой и биметаллической пружинными пластинами, установленными по разные стороны от оси и опирающимися на противовес, а каждый ротор - торцевым уплотнительным кольцом, сопряженным с ним по винтовой поверхности и подпружиненным в тангенциальном направлении.(56) 1. Патент ФРГ 1241187, 1967. Изобретение относится к области двигателестроения и может быть применено в легковых автомобилях ,легких самолетах , вертолетах и беспилотных летательных аппаратах. Наиболее близким решением по технической сущности принятым в качестве прототипа является роторно-поршневой двигатель патента 1., содержащий неподвижный корпус с каналами впуска и выпуска и полостями образованными, по меньшей мере, двумя симметрично расположенными цилиндрическими поверхностями, роторную камеру сгорания с перепускными каналами, разделители и размещенные в полостях центрально-симметрично роторы с валами и противовесами, кинематически связанные между собой и образующие с корпусом четыре полости переменного объема две впуска-сжатия и две расширения-выпуска,причем перепускные каналы расположены с возможностью последовательного сообщения камеры сгорания с соответствующими полостями впуска-сжатия и расширения-выпуска. Главный весьма существенный недостаток этого двигателя - это отсутствие и невозможность создать эффективного радиального уплотнения, а без него происходит очень большая утечка газов через щели, возникающие при входе и выходе выступов роторов в соответствующие выемки камеры сгорания. И это происходит в моменты наибольшего давления газов (конец сжатия и начало расширения). И еще, камера сгорания сообщается с полостями расширения сначала непосредственно, а затем через длинные каналы, в которых происходит расширение газов без совершения работы. Задачей изобретения является снижение механических потерь на трение, повышение КПД, удельной мощности и эксплуатационных качеств двигателя при той же технологичности, что и у поршневых двигателей. Синхронный двухроторный поршневой двигатель содержит две идентичные секции, расположенные в одном корпусе симметрично их центра масс, термодинамические процессы в которых протекают синхронно. В центре корпуса выполнена цилиндрическая полость, в которой установлен шарнир с (диаметральным) пазом и симметрично ему выполнены по меньшей мере, две цилиндрические полости (цилиндры), в которых размещены центрально-симметрично роторы с валами и противовесами две цилиндрические полости, в которых установлены цилиндрические золотники две цилиндрические полости, в которых установлены роторные камеры сгорания. Центральный шарнир выполнен поворотным. Роторы на валах установлены эксцентрично с возможностью касания соответствующих им цилиндрических поверхностей, снабжены разделительными заслонками, жестко связанными с роторами и установленными в пазу центрального шарнира с возможностью взаимного радиального перемещения и сопряжения между собой и пазом центрального шарнира. Цилиндрические золотники выполнены поворотными, жестко связаны с разделительными пластинами, подпружиненными в сторону роторов. Все органы двигателя кинематически связаны между собой и образуют с корпусом четыре полости переменного объема две впуска-сжатия и две расширения-выпуска. Каждая роторная камера сгорания выполнена в виде цилиндрического золотника, снабжена тремя полуцилиндрическими полостями, которые через перепускные каналы последовательно сообщаются с полостями впуска-сжатия и расширения-выпуска, а так же с гнездом запальной свечи. Каждый золотник снабжен впускным окном для сообщения каналов впуска с полостью впуска-сжатия и выпускным окном для сообщения канала выпуска с полостью расширения-выпуска. Вал отбора мощности кинематически связан шестеренчатой передачей с валами роторов с передаточным числом 11 и роторными камерами сгорания с передаточным числом 13. Внутренние полости роторов снабжены органами наддува горючей смеси, которая от карбюратора по каналам поступает во внутреннюю полость, а затем - к окнам цилиндрических золотников. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен вид двигателя без торцевой крышки,на фиг.2 - его разрез по плоскости симметрии, на фиг.3 - разрез по А-А. На фиг.4, 5, 6, 7 изображена кинематическая схема рабочего процесса двигателя. На фиг.8 изображена диаграмма газораспределения двигателя. 1942 1 Двигатель содержит неподвижный корпус 1 с двумя торцевыми крышками 2, соединенных с корпусом шпильками шарнир 3, расположенный в центре корпуса, два вала 4 с противовесами 5 и эксцентриками 6,размещенных центрально-симметрично два цилиндрических золотника 7 с окнами впуска 8 и выпуска 9,две роторные камеры сгорания 10 с тремя полуцилиндрическими или сферическими полостями 11, которые через каналы 12 и 13 в корпусе последовательно сообщаются с цилиндрическими полостями 14 и непосредственно с гнездом 15 запальной свечи 16. Корпус и торцевые крышки снабжены рубашками охлаждения 17 и полостями 18. На эксцентрики через посредство роликовых подшипников 19 насажены роторы-поршни 20, снабженные разделительными заслонками 21, установленными в пазу 22 шарнира с возможностью взаимного радиального перемещения и сопряжены между собой и шарниром. Во внутренних полостях ротора размещены шнекообразные вентиляторы 23, которые производят наддув горючей смеси, поступающей от карбюраторов через каналы 24, окна 25, полости роторов, окна 26, и каналы 27 к впускным окнам 8 золотников 7. В процессе наддува в полостях роторов происходит дополнительное смешение и испарение горючей смеси, что способствует более полному сгоранию топлива, а значит повышению КПД и снижению токсичности выхлопных газов и одновременно производится отвод тепла от роторов. Для большей интенсивности охлаждения роторов и придания им большей жесткости, их внутренние поверхности снабжены ребрами, расположенными под углом к оси вращения (на чертежах ребра не показаны). С той же целью сопряжения заслонок 21 выполнены в виде плоского шлицевого соединения, в котором между боковыми поверхностями шлицев могут быть небольшие щели, через которые горючая смесь может циркулировать из одной камеры впуска-сжатия в другую. Разделительные пластины 28, жестко связанные с золотником, выполнены в виде дуг (радиус дуги равен радиусу ротора), прижимаются к поверхностям роторов спиральными пружинами 29, установленными на оси золотника. Вал 30 отбора мощности, расположенный на продолжении геометрической оси шарнира 3, кинематически связан шестеренчатой передачей 31 с валами роторов,а также роторными камерами сгорания шестеренчатой передачей 32 с передаточным числом 13. Роторы со скольжением обкатываются по цилиндрическим поверхностям полостей 14 и со всеми разделительными органами, каналами и корпусом образуют четыре полости переменного объема два впуска-сжатия А и два расширения-выпуска В, причем золотники через каналы 33 сообщаются с полостями впуска-сжатия, а роторные камеры сгорания через каналы 12 и 13 с полостями сжатия-расширения. Торцы роторов снабжены крышками 34, жестко связанными с внешними обоймами роликовых подшипников, в кольцевых канавках которых размещены уплотнительные кольца 35, опирающиеся на гофрированные пружины. Каждый ротор снабжен торцевым уплотнительным кольцом 36, сопряженный с ним по винтовой поверхности, в возможностью поворота в тангенциальном направлении под действием пружины, размещенной в канавке 37. Заслонки, разделительные пластины, шарниры и разделители полостей камер сгорания снабжены подпружинными уплотнительными пластинами 38. Для того чтобы шарнир имел постоянное плечо поворота, торцы его паза снабжены выступами 39. Механизм радиального уплотнения зоны сопряжения ротора с корпусом. Во внутренние обоймы роликовых подшипников внатяг впрессованы эксцентриковые втулки, насаженные с зазором на эксцентрики вала. Их торцы снабжены прямоугольными зубьями и просветами. По разные стороны от оси установлены листовая пружина 40 и биметаллическая пластина 41, середины которых опираются на противовес, а концы входят в зацепление с эксцентриковыми втулками. При этом, до обкатки двигателя в зацеплениях эксцентриковой втулки с биметаллической пластиной должен быть зазор, для того чтобы при обкатке двигателя, когда происходит притирка поверхностей, пружина могла бы без ограничения со стороны биметаллической пластины поворачивать втулку в сторону увеличения суммарного радиуса эксцентрика до тех пор, пока биметаллическая пластина не войдет в контакт с зацеплением эксцентриковой втулки. После этого устанавливается взаимозависимая кинематическая связь эксцентриковой втулки с пружиной и биметаллической пластиной действия пружины на втулку всегда направлено в сторону увеличения суммарного радиуса эксцентрика, а биметаллическая пластина, ограничивающая поворот обоим, поворачивает втулку в ту или другую сторону в зависимости от температуры внутри полости ротора, за счет чего и достигается компенсация разности теплового расширения ротора и корпуса. При жесткости биметаллической пластины значительно большей жесткости листовой пружины двигатель после обкатки эффективно будет работать на бесконтактном уплотнении зоны сопряжения ротора с корпусом, поскольку зазор зоны будет настолько мал, что масляная пленка заполняющая зону, предотвратить утечку газов. Теоретически это возможно (график изменения суммарного радиуса есть косинусоида и в промежутке от 40 до 140 она почти линейная функция, а в этом интервале и работает механизм). В этом случае потери на трение здесь близки к нулю. Есть и второй вариант жесткость пружины и биметаллической пластины подбирается так, чтобы при обкатке двигатель мог работать в режиме контактного уплотнения с минимальным силовым воздействием ротора и корпуса в зоне сопряжения. В этом случае вместо одной биметаллической пластины лучше установить пакет из двух-трех биметаллических пластин. При работе двигателя роторы со скольжением обкатываются по цилиндрическим поверхностях корпуса и совместно со всеми разделительными органами, каналами и корпусом образуют четыре изменяемых объема, в которых протекают термодинамические процессы, обеспечивающие работу двигателя. Процессы в 3 1942 1 секциях протекают синхронно. Термодинамический цикл совершается за один оборот вала. Рассмотрим ход течения процессов в одной (нижней на чертеже) секции в той последовательности, как они протекают при запуске двигателя. За начало отсчета примем положение валов с эксцентриками, изображенное на фиг.1. На чертежах ось золотника расположена под углом 240. Для этого положения золотника и приводятся численные значения углов диаграммы газораспределения. С изменением угла расположения оси золотника изменяются и углы газораспределения. При повороте вала на 260 впускное окно 8 золотника открывается (см. фиг.6) и через него начинается сообщение карбюратора через каналы, окна и полость ротора с полостью впуска-сжатия А и в эту полость вентилятором 23 производится наддув горючей смеси, который длится (см. фиг.7, 4, 5) до закрытия окна (120). После этого в полости А до 310 (см. фиг.7) происходит сжатие горючей смеси и заполнение ею через канал 12 очередной полости камеры сгорания. При втором обороте вала в камере А продолжают протекать в той же последовательности те же процессы, но только будет заполняться смесью последующая полость камеры сгорания, а предыдущая, заполненная смесью, будет сообщена с гнездом запальной свечи и при угле примерно 15 происходит зажигание горючей смеси . После 20 полость камеры сгорания через канал 13 сообщается с камерой расширения-выпуска В (см. фиг.4) и совершается рабочий ход (процесс расширения), который заканчивается в момент открытия выпускного окна 9 золотника (см. фиг.6). С этого момента (от 260 до 120) происходит выпуск отработанных газов. В конце сжатия в течение малого промежутка времени канал 12, через полость камеры, в которой прошел процесс сгорания смеси и канал 13 сообщается с выпускным окном золотника и в это время происходит продувка этой полости горючей смесью. При работе двигателя после закрытия выпускного окна в полости В со стороны золотника в интервале от 120 до 190 происходит сжатие остаточных отработанных газов и перед концом их сжатия они в замкнутой полости, образованной разделительной пластиной 28 и корпусом, создают упругую подушку, которая предотвращает удары разделительной пластины с поверхностью корпуса. Длительность течения процесса следующая впуск продолжается в течение 220 поворота вала (от 260 до 120) сжатие - 90 (от 120 до 310), расширение - 240 (от 20 до 260) и выпуск - 220 (от 260 до 120). Секции размещены симметрично относительно центра масс двигателя, а движение их механизмов происходит в противофазах вследствие чего двигатель полностью уравновешен. Важным следствием синхронности протекания процессов является то, что равнодействующая всех сил, действующих на центральный шарнир, равна нулю равно нулю и силовое взаимодействие зон сопряжений шарнира с корпусом и поверхностей его паза с заслонками (силовое взаимодействие уплотнительных пластин пренебрегается), а это сводит к нулю потери на трение, а отсутствие напряжений в шарнире дает возможность изготовления его из керамических или композиционных материалов с малым пределом прочности. В отличие от поршневых двигателей, роторно-поршневых двигателей типа Ванкеля и прототипа в заявляемом двигателе в течение всего процесса расширения давления газовна ротор изменяется незначительно, так как по мере убывания давления Р увеличивается активная площадь роторов . Это устраняет ударные нагрузки на роторы, подшипники и обеспечивает мягкость работы двигателя. Очистка остаточных газов в двигателе начинается не из всего рабочего объема, а из полости камеры сгорания, причем так, что в процессе продувки предварительно сжатая смесь выталкивает их из камеры сгорания. При таком способе можно добиться почти полного удаления остаточных газов без утечки горючей смеси. В двигателе создается высокая степень смесеобразования, что способствует более полному сгоранию топлива, а значит повышению КПД и снижению токсичности отработанных газов, он снабжен эффективным механизмом радиального уплотнения, в нем снижены механические потери на трение в рабочих органах(роторы обкатываются со скольжением по цилиндрам с малым их силовым взаимодействием), рабочие органы имеют цилиндрическую форму и могут изготовляться на тех же станках и линиях, что и поршневые двигатели. Длительность протекания процессов впуска, сжатия, расширения, выпуска зависит от величины расположения угла золотника в корпусе. Который можно менять в большом интервале (120-260), что при конструировании позволяет для каждого конкретного двигателя выбрать такие оптимальные длительности протекания процессов, при которых двигатель будет работать наиболее эффективно - иметь наибольшую удельную мощность при самом высоком КПД.