RU2097586C1

RU2097586C1 - Rotary piston engine

Info

Publication number: RU2097586C1
Application number: RU95117893A
Authority: RU
Inventors: Николай Лаврентьевич Фоминых; Владимир Николаевич Фоминых
Original assignee: Николай Лаврентьевич Фоминых; Владимир Николаевич Фоминых
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-11-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: in proposed rotary piston engine coaxial shafts are fitted one into the other. Inner shaft is power takeoff shaft 3, and outer shaft is gear wheel hub 21. Pistons 13 and 13a are fitted on central bushing 12 secured on power takeoff shaft 3 forming working chambers between pistons 25 and 25a arranged on disk 24 installed on gear wheel hub 21 and working surface of housing 1. Rotor rotation conversion mechanism is made in form of reduction gear consisting of four non-round gear wheels, two of which, being in meshing, and made incomplete and are provided with teeth cut to piston divergence angle. EFFECT: enlarged operating capabilities. 9 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторно-поршневым машинам, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства. The invention relates to mechanical engineering, in particular to rotary piston machines, and can be used in any industry.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания [1] содержащий корпус с профилированной рабочей поверхностью, торцевые крышки, цилиндрический ротор, установленный на валу и снабженный качающимися поршнями, контактирующими с профилированной рабочей поверхностью корпуса и образующими надпоршневые и подпоршневые рабочие объемы, систему газообмена, выполненную в виде впускных и выпускных окон, и свечи зажигания, а каждый поршень снабжен камерой сгорания и перепускным каналом с обратным клапаном, сообщающим камеру сгорания с подпоршневым объемом, а впускные окна и отверстия под свечи зажигания выполнены в торцевой крышке с возможностью сообщения окон с подпоршневыми объемами, а свечей с камерами сгорания. Known rotary internal combustion engine [1] comprising a housing with a profiled working surface, end caps, a cylindrical rotor mounted on the shaft and provided with oscillating pistons in contact with the profiled working surface of the housing and forming supra-piston and piston displacement volumes, a gas exchange system made in the form of inlet and exhaust windows, and spark plugs, and each piston is equipped with a combustion chamber and a bypass channel with a check valve communicating the combustion chamber with a piston m in volume, and inlet windows and openings for spark plugs are made in the end cap with the possibility of message windows with piston volumes, and candles with combustion chambers.

Данное техническое решение имеет ряд недостатков:
надежность клапанно-перепускной системы;
сложность изготовления профилированной рабочей поверхности корпуса;
ненадежность шарнирно-подпружиненного соединения поршней с ротором из-за влияния температурных перепадов;
быстрый износ верхних граней поршней, так как при вращении ротора поршни под действием пружин и центробежных сил скользят по профилированной поверхности только верхними гранями.This technical solution has several disadvantages:
reliability of valve-by-pass system;
the complexity of manufacturing a profiled working surface of the housing;
the unreliability of the articulated spring-loaded connection of the pistons with the rotor due to the influence of temperature changes;
rapid wear of the upper faces of the pistons, since when the rotor rotates, the pistons under the action of springs and centrifugal forces slide on the profiled surface only by the upper faces.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сути и достигаемому результату является роторно-поршневой двигатель [2] содержащий цилиндрический корпус с выпускным окном и свечей зажигания, всасывающий канал, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, механизм преобразования вращения ротора с промежуточным валом, причем приводной механизм выполнен в виде муфт свободного хода, а механизм синхронизации выполнен в виде муфт обратного хода. The closest to the claimed technical solution in technical essence and the achieved result is a rotary piston engine [2] comprising a cylindrical housing with an exhaust window and spark plugs, a suction channel, pistons forming in the housing on coaxial shafts forming working chambers, a rotor rotation conversion mechanism with the intermediate shaft, and the drive mechanism is made in the form of freewheels, and the synchronization mechanism is made in the form of reverse couplings.

Недостатки этого двигателя следующие:
ненадежность, связанная с применением в устройстве муфт свободного и обратного ходов, т. к. при большой цикличности (в данном случае шесть циклов за один оборот) каждая пара муфт, а их четыре, сделает по шесть остановов, заклиниваний и, если двигатель будет делать несколько тысяч оборотов в минуту, причем с большими удельными нагрузками, то становится очевидным, что такие нагрузки ни один современный материал, пусть даже самый износостойкий, длительное время не выдержит и потребуется частая замена муфт;
сложность в эксплуатации, т.к. замена хотя бы одной муфты требует полной разработки двигателя.The disadvantages of this engine are as follows:
the unreliability associated with the use of free and reverse couplings in the device, because with a large cycle (in this case six cycles per revolution) each couple of couplings, and four of them, will make six stops, jamming and, if the engine will do several thousand revolutions per minute, and with large specific loads, it becomes obvious that no modern material, even the most wear-resistant, can withstand such loads for a long time and frequent replacement of couplings will be required;
difficulty in operation, as replacing at least one coupling requires a complete engine design.

Задача изобретения упрощение конструкции, увеличение удельной мощности, повышение надежности и полноты сгорания топлива. The objective of the invention is to simplify the design, increase the specific power, increase the reliability and completeness of fuel combustion.

Задача решается тем, что в роторно-поршневом двигателе, содержащем цилиндрический корпус с выпускным окном и свечой зажигания, всасывающий канал, установленные в корпусе на соосных валах поршни, образующие рабочие камеры, механизм преобразования вращения ротора с промежуточным валом, соосные валы, один из которых (внутренний) является валом сбора мощности, а другой - ступицей зубчатого колеса, установлены один в другом, при этом на валу сбора мощности закреплена центральная втулка, имеющая всасывающую полость, соединенную с всасывающим каналом крышки корпуса, на котором размещены поршни, образующие между поршнями, размещенными на диске, установленном на ступице зубчатого колеса, и рабочей поверхностью корпуса рабочую камеру, причем механизм преобразования вращения ротора выполнен в виде редуктора, состоящего из четырех некруглых зубчатых колес, производных от эллиптических с равным значением эксцентриситета с промежуточным валом, причем два из них, находящихся в зацеплении, выполнены неполными и имеют зубцы, нарезанные на угол расхождения поршней. The problem is solved in that in a rotary piston engine containing a cylindrical housing with an exhaust window and a spark plug, a suction channel, pistons installed in the housing on coaxial shafts forming working chambers, a rotor rotation conversion mechanism with an intermediate shaft, coaxial shafts, one of which (internal) is the power harvesting shaft, and the other is the hub of the gear wheel, mounted one in the other, while a central bushing having a suction cavity connected to the suction to the case cover breaker, on which the pistons are placed, forming between the pistons mounted on the disk mounted on the gear hub and the working surface of the housing, the rotor rotation conversion mechanism made in the form of a gearbox consisting of four non-circular gears derived from elliptical with an equal value of eccentricity with an intermediate shaft, moreover, two of them being meshed are incomplete and have teeth cut into the angle of divergence of the pistons.

На фиг. 1 показан разрез двигателя по оси; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 9 такты работы двигателя и соответственное им расположение зубчатых колес. In FIG. 1 shows an axial section of the engine; in FIG. 2, section AA in FIG. one; in FIG. 3 section BB in FIG. one; in FIG. 4 9 strokes of the engine and the corresponding arrangement of gears.

Двигатель содержит корпус 1 с цилиндрической рабочей поверхностью и выпускным окном "Н", свечу зажигания 2, выходящую электродами в камеру сгорания "К", вал 3 отбора мощности, вращающийся в опоре 4, установленной в крышке 5 корпуса 1 с всасывающим каналом "М", герметично закрытой крышкой 6 с уплотнением 7 к опоре 8, установленной в крышке 9 и герметично закрытой крышкой 10 с уплотнением 11. На валу 3 отбора мощности жестко закреплена центральная втулка 12 с всасывающей полостью "М₁", на которой, в свою очередь, жестко закреплены поршни 13 и 13а, зубчатое колесо 14, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 15, жестко закрепленным на промежуточном валу 16, свободно вращающимся в опорах 17 и 18, установленных одна в корпусе 1, другая в крышке 9, герметично закрытой крышкой 19. На промежуточном валу 16 перпендикулярно большой оси зубчатого колеса 15 жестко закреплено второе зубчатое колесо 20, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 21 со ступицей, свободно вращающемся на валу 3 отбора мощности в опорах 22 и 23. На ступице зубчатого колеса 21 жестко закреплен диск 24, на котором, в свою очередь, жестко закреплены поршни 25 и 25а.The engine comprises a housing 1 with a cylindrical working surface and an exhaust window "H", a spark plug 2 exiting by the electrodes into the combustion chamber "K", a power take-off shaft 3 rotating in a support 4 installed in the cover 5 of the housing 1 with a suction channel "M" , a hermetically sealed cover 6 with a seal 7 to a support 8 installed in the cover 9 and a hermetically sealed cover 10 with a seal 11. A central sleeve 12 with a suction cavity "M ₁ " is rigidly fixed to the power take-off shaft 3, on which, in turn, rigidly fixed pistons 13 and 13a, gear ECO 14, which is meshed with the gear wheel 15, rigidly mounted on the intermediate shaft 16, freely rotating in the bearings 17 and 18, installed one in the housing 1, the other in the cover 9, hermetically closed cover 19. On the intermediate shaft 16 perpendicular to the major axis of the gear the wheels 15 are rigidly fixed to the second gear wheel 20, which is meshed with the gear wheel 21 with a hub freely rotating on the power take-off shaft 3 in the bearings 22 and 23. A disk 24 is rigidly fixed to the hub of the gear wheel 21, on which, in turn, is rigidly fixed securing Lena pistons 25 and 25A.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Механизмом преобразования работы ротора является редуктор, составленный из зубчатых колес 14, 15, 20 и 21, из которых зубчатые колеса 20 и 21 - неполные. Все зубчатые колеса имеют строго равное значение эксцентриситета и могут быть эллиптическими с осью вращения в фокусах или производными, полученными из эллиптических: овальные в форме двулистника или трилистника, а также зубчатые колеса могут иметь начальные цилиндры, которые очерчены дугами логарифмических спиралей, у которых период изменения передаточного отношения за один оборот может быть равен одному, двум, трем, четырем и более (Кожевников С.Н. и др. Механизмы. Справочное пособие, с. 156, рис. 3. 27; с. 159, рис. 3. 28, 3.22, 3.33). The mechanism for converting the operation of the rotor is a gearbox composed of gears 14, 15, 20 and 21, of which gears 20 and 21 are incomplete. All gears have a strictly equal eccentricity value and can be elliptical with the axis of rotation in tricks or derivatives derived from elliptical: oval in the form of a double leaf or trefoil, and also gear wheels can have initial cylinders, which are outlined by arcs of logarithmic spirals, for which the period of change gear ratio for one revolution can be equal to one, two, three, four or more (Kozhevnikov S.N. and other Mechanisms. Reference manual, p. 156, Fig. 3. 27; p. 159, Fig. 3. 28 , 3.22, 3.33).

Зубчатые колеса 15 и 20 жестко закреплены на промежуточном валу 16, свободно вращающемся в опорах 17 и 18, следовательно, их угловые скорости равны, т.е. ω₂ = ω₃
Вращением вала 3 отбора мощности смыкают поршни 13 и 13а с поршнями 25 и 25а, производя всасывание топлива, его сжатие и воспламенение от свечи 2 зажигания. Это положение показано на фиг. 4.The gears 15 and 20 are rigidly fixed on the intermediate shaft 16, freely rotating in the bearings 17 and 18, therefore, their angular velocities are equal, i.e. ω ₂ = ω ₃
The rotation of the power take-off shaft 3 closes the pistons 13 and 13a with the pistons 25 and 25a, suctioning the fuel, compressing it and igniting it from the spark plug 2. This position is shown in FIG. 4.

Как видно из рисунка, неполное зубчатое колесо 21 находится в зацеплении с неполным зубчатым колесом 20 промежуточного вала 16 с наименьшим радиусом r₁, в то же время зубчатое колесо 15 промежуточного вала 16 находится в зацеплении с зубчатым колесом 14 внутреннего вала отбора мощности 3 тоже с наименьшим радиусом r₃ (см. фиг. 3), следовательно, при равных угловых скоростях зубчатых колес 15 и 20 промежуточного вала 16 общее передаточное число

равно произведению частных передаточных отношений i₁₂ • i₃₄ r₂•r₄/r₁•r₃ как передаточное число рядового соединения с кратным зацеплением.As can be seen from the figure, the partial gear 21 is meshed with the partial gear 20 of the intermediate shaft 16 with the smallest radius r ₁ , while the gear 15 of the intermediate shaft 16 is engaged with the gear 14 of the internal power take-off shaft 3 also with the smallest radius r ₃ (see Fig. 3), therefore, with equal angular speeds of the

gears

15 and 20 of the intermediate shaft 16, the total gear ratio

is equal to the product of the private gear ratios i ₁₂ • i ₃₄ r ₂ • r ₄ / r ₁ • r ₃ as the gear ratio of the row connection with multiple gearing.

При воспламенении топлива газы, расширяясь, давят на рабочую поверхность поршней 13 и 25 с одинаковым усилием, но в силу принятой кинематической связи поршни 25 и 25а начнут быстро удаляться от поршней 13 и 13а, одновременно увлекая их за собой, заставляя до определенного положения все время отставать. When the fuel ignites, the gases expand, press on the working surface of the pistons 13 and 25 with the same effort, but due to the accepted kinematic connection, the pistons 25 and 25a will quickly move away from the pistons 13 and 13a, while simultaneously dragging them along, forcing them to a certain position all the time lag behind.

Это положение показано на фиг. 5, где между поршнями 13 и 25 началось расширение газов, а между поршнями 13а и 25а всасывание новой порции топлива. This position is shown in FIG. 5, where gas expansion began between the pistons 13 and 25, and the absorption of a new portion of fuel between the pistons 13a and 25a.

Дальнейшее расширение газов продолжает вращать поршни 25 и 25а, которые в силу принятой кинематики влекут за собой и поршни 13 и 13а до тех пор, пока радиусы зубчатых колес 21 и 20 в зацеплении не станут равными. Это положение показано на фиг. 6, где между поршнями 13 и 25 произведено полное расширение газов, а между поршнями 13а и 25а полное всасывание топлива. Дальнейшее вращение всей системы до полного смыкания поршней идет уже за счет набранных инерционных сил. В этот период, опять же в силу принятой кинематической цепи, поршни 25 и 25а начнут замедлять свое вращение, т.е. уменьшать угловую скорость, а поршни 13 и 13а продолжать вращаться с набранной угловой скоростью, за счет чего начнут нагонять поршни 25 и 25а, произведя выхлоп отработанных газов через окно "Н", а с противоположной стороны сжатие топлива. При дальнейшем вращении поршни 13 и 13а догоняют поршни 25 и 25а до полного смыкания (см. фиг.7), произведя выхлоп и продувку камеры сгорания и полное сжатие топлива. Как видно из фиг. 7, вал 3 отбора мощности сделал четверть оборота и на эту же величину развернулись все зубчатые колеса, т.е. неполное зубчатое колесо 21 находится в зацеплении с неполным зубчатым колесом 20 промежуточного вала 16 наибольшим радиусом r₁ с r₂, одновременно второе зубчатое колесо 15 промежуточного вала 16 находится в зацеплении с зубчатым колесом 14 вала 3 отбора мощности тоже наибольшим радиусом r₃ с r₄. Следовательно, чтобы сохранить набранную угловую скорость валу 3 отбора мощности, который в данный момент становится ведущим, и чтобы дать ему свободу действия, зубчатые колеса 21 и 20 сделаны неполными на угол полного расхождения поршней и при дальнейшем вращении выходят из зацепления, освобождая вал 3 отбора мощности.Further expansion of the gases continues to rotate the pistons 25 and 25a, which, due to the adopted kinematics, entail the pistons 13 and 13a as well until the radii of the gears 21 and 20 in engagement become equal. This position is shown in FIG. 6, where between the pistons 13 and 25 a complete expansion of the gases is made, and between the pistons 13a and 25a, the fuel is completely absorbed. Further rotation of the entire system to the complete closure of the pistons is already due to the gained inertial forces. In this period, again due to the adopted kinematic chain, the pistons 25 and 25a will begin to slow down their rotation, i.e. reduce the angular velocity, and the pistons 13 and 13a continue to rotate with the gained angular velocity, due to which the pistons 25 and 25a will start to catch up, exhausting the exhaust gases through the window "H", and on the opposite side will compress the fuel. With further rotation, the pistons 13 and 13a catch up with the pistons 25 and 25a to complete closure (see Fig. 7), exhausting and purging the combustion chamber and completely compressing the fuel. As can be seen from FIG. 7, the power take-off shaft 3 made a quarter turn and all gears turned around the same amount, i.e. the partial gear 21 is meshed with the partial gear 20 of the intermediate shaft 16 with the largest radius r ₁ with r ₂ , at the same time the second gear 15 of the intermediate shaft 16 is engaged with the gear 14 of the power take-off shaft 3 also with the largest radius r ₃ with r ₄ . Therefore, in order to maintain the gained angular speed of the power take-off shaft 3, which is currently becoming the leading one, and to give it freedom of action, the gears 21 and 20 are made incomplete by the angle of complete divergence of the pistons and, when further rotated, disengage, freeing the selection shaft 3 power.

С сомкнутыми поршнями вся система разворачивается на 90^o (фиг.8). Здесь вновь происходит воспламенение топливной смеси и термодинамические процессы повторяются, создавая новый импульс валу 3 отбора мощности. За один оборот вала 3 отбора мощности при принятом механизме с двулистниковыми зубчатыми колесами произойдет два полных цикла.With closed pistons, the entire system is deployed at 90 ^o (Fig. 8). Here again the ignition of the fuel mixture occurs and the thermodynamic processes are repeated, creating a new impulse to the power take-off shaft 3. For one revolution of the power take-off shaft 3, with the adopted mechanism with double-leaf gears, two complete cycles will occur.

Условия работы двигателя. Engine operating conditions.

Приведенная схема действия по условию P₁ P₂ P, в силу принятой конструкции двигателя, в момент воспламенения топливной смеси будет иметь вид:

откуда можно сделать вывод: чем больше (в конструктивных пределах) разность R₂ R₁, тем устойчивее будет работа двигателя.The above action scheme under the condition P ₁ P ₂ P, due to the adopted engine design, at the time of ignition of the fuel mixture will have the form:

where can we conclude: the greater (in design limits) the difference R ₂ R ₁ , the more stable the engine will be.

Таким образом, благодаря разработанному механизму, осуществляющему периодическое измерение угловой скорости диска, на котором жестко закреплены поршни, изменяющие межпоршневое пространство между поршнями, вращающимися с постоянной угловой скоростью, осуществляются термодинамические процессы. Thus, thanks to the developed mechanism that periodically measures the angular velocity of the disk, on which the pistons are rigidly fixed, changing the piston space between the pistons rotating at a constant angular velocity, thermodynamic processes are carried out.

При вращении ротора поступившее в рабочее пространство топливо за счет разряжения и центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса и лучше перемешивается с воздухом, располагаясь как бы слоями более тяжелые ближе к стенкам, более легкие дальше. При таком смесеобразовании в камере сгорания ротора к моменту подачи искры свечой зажигания может образоваться расслоенный заряд, что способствует более полному сгоранию топлива, а это, в свою очередь, понизит токсичность выхлопных газов, повысит удельную мощность двигателя, даст возможность уменьшить расход топлива. When the rotor rotates, the fuel that enters the working space due to vacuum and centrifugal force is discarded to the walls of the body and mixes better with air, being located as it were layers heavier closer to the walls, lighter farther. With such a mixture formation, a layered charge can form in the rotor combustion chamber by the time the spark is supplied by the spark plug, which contributes to a more complete combustion of the fuel, and this, in turn, will reduce the toxicity of exhaust gases, increase the specific power of the engine, and make it possible to reduce fuel consumption.

За счет формы зубчатых колес заявляемого двигателя становится возможным за один оборот вала отбора мощности получить от двух до четырех и более циклов, что также дает увеличение мощности. Due to the shape of the gears of the inventive engine, it becomes possible to obtain from two to four or more cycles in one revolution of the power take-off shaft, which also gives an increase in power.

Claims

A rotary piston engine comprising a cylindrical housing with an exhaust window and a spark plug, a suction channel, pistons forming in the housing on coaxial shafts forming working chambers, a rotor rotation conversion mechanism with an intermediate shaft, characterized in that the coaxial shafts, one of which is internal , is a power take-off shaft, and the other is a hub of a gear wheel, mounted one in the other, while a central sleeve is attached to the power take-off shaft, which has a suction cavity connected to the suction m channel of the housing cover, and on which pistons are placed, forming working chambers between the pistons located on the disk mounted on the gear hub and the working surface of the housing, the rotor rotation conversion mechanism being made in the form of a gearbox consisting of four non-circular gears, produced from elliptical with equal eccentricity with an intermediate shaft, moreover, two of them being meshed are incomplete and have teeth cut into the angle of divergence of the pistons.