RU2292470C2

RU2292470C2 - Rotary-vane internal cobustion engine

Info

Publication number: RU2292470C2
Application number: RU2005103781/06A
Authority: RU
Inventors: Всеволод В чеславович Мултановский (RU); Всеволод Вячеславович Мултановский
Original assignee: Всеволод Вячеславович Мултановский
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2007-01-27
Also published as: RU2005103781A

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: proposed rotary-vane internal combustion engine has body with ring working chamber provided with intake and exhaust ports and accommodating two pairs of vanes installed for rotation at variable speed and mounted on coaxial shafts connected with output shaft of synchronizer containing variable-radius gear wheels. Gear wheels of synchronizer secured on shafts of rotor and on output shaft have special form of pitch surface providing harmonic, for instance, sinusoidal change of angular speed of rotors at uniform rotation of power takeoff shaft.

EFFECT: improved reliability, economy and manufacturability of engine.

3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям, точнее к той их разновидности, которую обычно называют роторно-лопастными двигателями (Бирюков Б.Н. От водяного колеса до квантового ускорителя. М.: Машиностроение, 1990, с.66-68). Принцип действия таких двигателей состоит в следующем. На валах, проходящих по оси цилиндрического корпуса, вращаются два двухлопастных ротора, лопасти которых делят полость корпуса на четыре замкнутых объема. Роторы кинематически связаны между собой специальным механизмом связи (синхронизации), который обеспечивает неравномерность вращения роторов при равномерном вращении выходного вала (вала отбора мощности). При этом замкнутые объемы между лопастями изменяются и в них могут протекать рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to engine building, in particular to rotary engines, more precisely to the variety that is commonly called rotary vane engines (Biryukov B.N. From a water wheel to a quantum accelerator. M: Mechanical Engineering, 1990, pp. 66-68) . The principle of operation of such engines is as follows. On the shafts passing along the axis of the cylindrical body, two two-bladed rotors rotate, the blades of which divide the body cavity into four closed volumes. The rotors are kinematically connected with each other by a special communication (synchronization) mechanism, which ensures uneven rotation of the rotors with uniform rotation of the output shaft (power take-off shaft). In this case, the closed volumes between the blades change and the working cycles of the internal combustion engine (ICE) can occur in them.

Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (RU 2043521 C1, 10.09.1995), содержащий корпус с цилиндрической полостью, в которой с образованием камер переменного объема установлены поворотные лопасти, связанные с выходным валом через механизм преобразования движения, имеющий две пары эллиптических зубчатых колес.Known rotary vane internal combustion engine (RU 2043521 C1, 09/10/1995), comprising a housing with a cylindrical cavity, in which with the formation of chambers of variable volume mounted rotary blades connected to the output shaft through a motion conversion mechanism having two pairs of elliptical gears.

Основными недостатками конструкции являются: несоответствие эллиптической формы зубчатых колес условию постоянства межосевого расстояния при вращении вокруг центров симметрии без проскальзывания (в зацеплении), большое значение угла зацепления (угла давления), особенно при значительной (более 40°) разности хода лопастей, что увеличивает нагрузку в зацеплении, снижает надежность конструкции, ограничивает величину разности хода лопастей, то есть рабочий объем и мощность.The main design flaws are: the mismatch of the elliptical shape of the gears to the condition of constant axle distance when rotating around the centers of symmetry without slipping (in engagement), a large value of the engagement angle (pressure angle), especially with a significant (over 40 °) difference in the stroke of the blades, which increases the load in engagement, reduces the reliability of the structure, limits the magnitude of the difference in the stroke of the blades, that is, the working volume and power.

Известен также роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, наиболее близкий по технической сути к предложенному и принятый за прототип (RU 2063526 C1, 10.07.1996). Он содержит корпус с рабочей камерой в виде полутора, в которой на соосных валах расположены поршни в виде диаметрально противоположных секторов, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной скоростью благодаря механизму синхронизации, содержащему две пары симметричных зубчатых колес переменного радиуса (параболических).Also known rotary vane internal combustion engine, the closest in technical essence to the proposed and adopted as a prototype (RU 2063526 C1, 07/10/1996). It contains a housing with a working chamber in the form of one and a half, in which pistons in the form of diametrically opposite sectors are located on the coaxial shafts, which are able to rotate at a variable speed thanks to a synchronization mechanism containing two pairs of symmetrical gear wheels of variable radius (parabolic).

Причиной, препятствующей получению высокой эффективности двигателя, является ограниченность разности хода лопастей на уровне 40-50° допустимыми значениями угла зацепления (угла давления) зубчатых колес переменного радиуса в мертвых точках. Кроме того, использование в механизме связи одинаковых зубчатых колес переменного радиуса приводит к несимметричности функции передаточного отношения, то есть к неоправданно большому с точки зрения получения достаточной разности хода лопастей значению углового ускорения роторов, что в свою очередь увеличивает инерционные нагрузки на детали двигателя. Несимметричность функции передаточного отношения приводит также к неуравновешенности инерционных моментов роторов и к увеличению неравномерности крутящего момента двигателя.The reason that prevents obtaining high engine efficiency is the limited difference in the stroke of the blades at the level of 40-50 ° with permissible values of the angle of engagement (pressure angle) of gear wheels of variable radius in the dead points. In addition, the use of identical gears of variable radius in the coupling mechanism leads to asymmetry of the gear ratio function, i.e., to the value of the angular acceleration of the rotors that is unreasonably large in terms of obtaining a sufficient difference in the stroke of the blades, which in turn increases the inertial loads on engine parts. The asymmetry of the gear ratio function also leads to an imbalance in the inertial moments of the rotors and to an increase in the unevenness of the engine torque.

Задачей данного изобретения является разработка конструкции высокоэффективного, экономичного, надежного и долговечного двигателя, имеющего высокие эксплутационные характеристики и технологичного в изготовлении.The objective of the invention is to develop the design of a highly efficient, economical, reliable and durable engine with high performance and technological manufacturing.

Указанная задача достигается тем, что в роторно-лопастном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с кольцевой рабочей камерой, имеющей впускное и выпускное окна, с расположенными в ней двумя парами лопастей, имеющих возможность совершать вращательное движение с переменной скоростью и установленных на соосных валах, соединенных с выходным валом механизмом синхронизации, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса, согласно изобретению зубчатые колеса механизма синхронизации, закрепленные на валах ротора и выходном валу, имеют специальную форму делительной поверхности, обеспечивающую гармонический, например синусоидальный, закон изменения угловой скорости роторов при равномерном вращении вала отбора мощности, которая (форма) задается уравнениями:This task is achieved by the fact that in a rotary vane internal combustion engine containing a housing with an annular working chamber having an inlet and outlet windows, with two pairs of blades located therein, having the ability to rotate at a variable speed and mounted on coaxial shafts connected with an output shaft, a synchronization mechanism comprising gears of variable radius, according to the invention, gears of a synchronization mechanism, mounted on the rotor shafts and the output shaft, have a special shape of the dividing surface, which provides a harmonic, for example sinusoidal, law of change in the angular velocity of the rotors with uniform rotation of the power take-off shaft, which (form) is given by the equations:

R₁=L(1+0,5α_РCos2φ₁)/(2+0,5α_РCos2φ₁)R ₁ = L (1 + 0.5α _P Cos2φ ₁ ) / (2 + 0.5α _P Cos2φ ₁ )

R₂=L-R₁=L/(2+0,5α_РCos2φ₁), φ₂=φ₁+0,25α_РSin2φ₁,R ₂ = LR ₁ = L / (2 + 0.5α _P Cos2φ ₁ ), φ ₂ = φ ₁ + 0.25α _P Sin2φ ₁ ,

где R₁, φ₁, - полярные координаты делительной поверхности зубчатого колеса, расположенного на валу отбора мощности, R₂, φ₂, - расположенного на валу ротора, L - межосевое расстояние, α_P - разность хода лопастей (максимальный угловой размер одной камеры в радианной мере).where R ₁ , φ ₁ , are the polar coordinates of the pitch surface of the gear located on the power take-off shaft, R ₂ , φ ₂ , is located on the rotor shaft, L is the interaxial distance, α _P is the difference in the stroke of the blades (maximum angular size of one chamber in radian measure).

Использование в механизме связи некруглых зубчатых колес указанной формы позволяет увеличить разность хода лопастей (а следовательно, и рабочий объем, и мощность) при допустимых значениях угла зацепления. Например, при К=0,5 разность хода достигает ≈60° при максимальном угле зацепления ≈45° (при стандартном значении угла зацепления производящей рейки 20°).The use of non-circular gears of the specified shape in the coupling mechanism allows to increase the difference in the stroke of the blades (and, consequently, the working volume and power) at acceptable values of the angle of engagement. For example, at K = 0.5, the travel difference reaches ≈60 ° with a maximum engagement angle of ≈45 ° (with a standard angle of engagement of the producing rail of 20 °).

При этом бóльшая разность хода достигается при меньших (по сравнению с прототипом) значениях угловых ускорений.In this case, a larger stroke difference is achieved at lower (in comparison with the prototype) values of angular accelerations.

Симметричность функции передаточного отношения обеспечивает уравновешенность инерционных моментов роторов и снижает неравномерность крутящею момента двигателя.The symmetry of the gear ratio function ensures the balance of the inertial moments of the rotors and reduces the unevenness of the engine torque.

Все это уменьшает нагрузки на детали двигателя, снижает требования к их прочности, повышает долговечность, технологичность изготовления, экономичность производства и эксплуатации.All this reduces the load on the engine parts, reduces the requirements for their strength, increases the durability, manufacturability, economical production and operation.

На фиг.1 приведен продольный разрез, на фиг.2 - поперечный разрез предложенного двигателя, на фиг.3 изображены зубчатые колеса.Figure 1 shows a longitudinal section, figure 2 is a cross section of the proposed engine, figure 3 shows the gears.

Роторно-лопастной двигатель содержит корпус 1, рабочая полость которого выполнена в виде кольцевой камеры и имеет впускное 4 и выпускное 5 окна. В рабочей полости расположены лопасти 6, в которых выполнены канавки для уплотнений 13. Лопасти установлены на валах 8 ротора, соединенных с выходным валом 12 механизмом синхронизации, содержащим зубчатые колеса переменного радиуса 11, установленные на валах ротора 8 и выходном валу 12. При такой конструкции механизма синхронизации между лопастями 6 ротора образуются камеры переменного объема, в каждой из которых за один оборот выходного вала и ротора совершается полный 4-тактный цикл ДВС. В зоне окончания такта сжатия в стенке рабочей камеры имеется отверстие 14 для запального устройства или свеча зажигания 15.The rotary vane engine comprises a housing 1, the working cavity of which is made in the form of an annular chamber and has an inlet 4 and an outlet 5 window. In the working cavity there are blades 6, in which grooves are made for the seals 13. The blades are mounted on the rotor shafts 8, connected to the output shaft 12 by a synchronization mechanism containing gear wheels of variable radius 11, mounted on the rotor shafts 8 and the output shaft 12. With this design The synchronization mechanism between the rotor blades 6 forms chambers of variable volume, in each of which a complete 4-cycle ICE cycle is performed for one revolution of the output shaft and rotor. In the zone of the end of the compression stroke in the wall of the working chamber there is an opening 14 for the ignition device or spark plug 15.

Двигатель работает следующим образом: при равномерном вращении выходного вала 12 в соответствии с переменным передаточным отношением механизма синхронизации лопасти 6 ротора имеют переменную скорость вращения, что приводит к изменению объема камер между лопастями при их неравномерном вращении в одном направлении. Увеличение объема происходит в зоне расположения впускного окна 4, через которое всасывается свежий заряд или воздух. В это же время в увеличивающейся камере с противоположной стороны ротора происходит расширение продуктов сгорания рабочей смеси - рабочий ход. В конце такта всасывания, когда объем камеры достигает максимального значения, впускное окно закрывается передней кромкой «отстающей» лопасти и начинается такт сжатия. С противоположной стороны ротора в этот момент задняя кромка «опережающей» лопасти открывает выпускное окно и начинается выпуск. В конце такта сжатия происходит воспламенение рабочей смеси запальным устройством 14 или свечой зажигания 15 и при переходе через мертвую точку начинается рабочий ход.The engine operates as follows: with a uniform rotation of the output shaft 12 in accordance with a variable gear ratio of the synchronization mechanism, the rotor blades 6 have a variable speed of rotation, which leads to a change in the volume of the chambers between the blades during their uneven rotation in one direction. The increase in volume occurs in the area of the inlet window 4, through which fresh charge or air is sucked. At the same time, in the expanding chamber, on the opposite side of the rotor, the combustion products of the working mixture expand — the stroke. At the end of the suction stroke, when the chamber volume reaches its maximum value, the inlet window closes with the leading edge of the “lagging” blade and the compression stroke begins. On the opposite side of the rotor at this moment, the trailing edge of the “leading” blade opens the outlet window and the outlet begins. At the end of the compression stroke, the working mixture ignites with the ignition device 14 or the spark plug 15, and when moving through the dead point, the working stroke begins.

Claims

A rotary vane internal combustion engine comprising a housing with an annular working chamber having an inlet and an outlet window, with two pairs of blades located therein, having the ability to rotate at a variable speed and mounted on coaxial shafts connected to the output shaft by a synchronization mechanism comprising gear wheels of variable radius, characterized in that the gears of the synchronization mechanism, mounted on the rotor shafts and the output shaft, have a special form of dividing erhnosti providing harmonic, for example sinusoidal, the variation of the rotor angular speed PTO shaft at uniform rotation which (shape) is given by the equations

R ₁ = L (1 + 0.5α _P Cos2φ ₁ ) / (2 + 0.5α _P Cos2φ ₁ );

R ₂ = LR ₁ = L / (2 + 0.5α _P Cos2φ ₁ ), φ ₂ = φ ₁ + 0.25α _P Sin2φ ₁ ,

where R ₁ , φ ₁ , are the polar coordinates of the pitch surface of the gear located on the power take-off shaft; R ₂ , φ ₂ - located on the rotor shaft; L is the center distance; α _P is the difference in the stroke of the blades (the maximum angular size of one chamber in radian measure).