RU2347088C1 - Screw ball four-cycle engine - Google Patents
Screw ball four-cycle engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2347088C1 RU2347088C1 RU2007116865/06A RU2007116865A RU2347088C1 RU 2347088 C1 RU2347088 C1 RU 2347088C1 RU 2007116865/06 A RU2007116865/06 A RU 2007116865/06A RU 2007116865 A RU2007116865 A RU 2007116865A RU 2347088 C1 RU2347088 C1 RU 2347088C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- grooves
- balls
- ball
- piston
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission Devices (AREA)
Abstract
Description
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, выделяемая при сгорании топлива, преобразуется в механическую полезную работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя.The invention relates to the field of mechanical engineering, and more particularly to reciprocating internal combustion engines, which belong to the widespread and numerous class of heat engines, in which the thermal energy generated by the combustion of fuel is converted into mechanical useful work. In these engines, the processes of fuel combustion, heat generation and its conversion into mechanical work occur directly inside the engine.
Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (СССР авторское свидетельство №118471, кл. F01 B 9/02, 1958 г).Famous internal combustion engine with a rodless mechanism (USSR copyright certificate No. 118471, class F01 B 9/02, 1958).
Бесшатунный двигатель имеет звездообразное расположение цилиндров, а поршни попарно жестко соединены между собой штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение шеек, с перемещением поршневых систем и связанных их штоков по оси противоположных цилиндров. Рабочий вал у этого двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четверти хода поршня крайних шеек коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала друг относительно друга.The rodless engine has a star-shaped arrangement of cylinders, and the pistons are pairwise rigidly interconnected by rods articulated through bearings with the middle necks of the crankshaft having a neck rotation with the piston systems and their associated rods moving along the axis of the opposing cylinders. The working shaft of this engine is made of two parts with crankshaft bearing for fixing in them on the radius of one quarter of the piston stroke of the extreme necks of the crankshaft, and is equipped with a connecting shaft, fixing with the help of gears the position of the cranks of both parts of the working shaft relative to each other.
Недостатком этого двигателя является усложненная конструкция кривошипного бесшатунного механизма, который имеет дополнительный соединительный вал с шестернями, фиксирующими положения частей кривошипов относительно друг друга, а также наличие коленчатого вала.The disadvantage of this engine is the complicated design of the crank mechanism, which has an additional connecting shaft with gears that fix the position of the parts of the cranks relative to each other, as well as the presence of a crankshaft.
Из патентной литературы известен двигатель внутреннего сгорания, патент США №4553503, кл. F02B 75/25, 1985 г., второй вариант, фиг.24 и 25, который принят за прототип.From the patent literature known internal combustion engine, US patent No. 4553503, CL. F02B 75/25, 1985, the second option, Fig.24 and 25, which is taken as a prototype.
Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока с впускными и выпускными клапанами, корпус двигателя, в котором установлен механизм преобразования возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала. По образующей цилиндра ротора этого механизма выполнены правого и левого направлений дуговые желоба, в этих желобах установлены шарики, погруженные наполовину диаметра, а вторые их половины диаметра установлены в сферических отверстиях ползунов, шарики установлены с возможностью взаимодействия с желобами ротора и со сферическими отверстиями ползунов при взаимодействии мелких шариков, а ползуны соединены штоками с поршнями.The engine contains a cylinder block with axially arranged cylinders in which the pistons are reciprocally mounted, a block head with intake and exhaust valves, an engine casing in which a mechanism for converting the reciprocating movements of the pistons into shaft rotation is installed. On the generatrix of the rotor cylinder of this mechanism, the right and left directions are made of arc troughs, balls are installed in these trenches, submerged half the diameter, and the second half of them are installed in the spherical holes of the sliders, the balls are installed with the possibility of interaction with the rotor grooves and with the spherical holes of the sliders when interacting small balls, and the sliders are connected by rods with pistons.
Основными недостатками этих двигателей являются:The main disadvantages of these engines are:
Профили дуговых желобов на цилиндрической поверхности втулки ротора выполнены с двумя точками перегиба /см. фиг.31/. При таком угловом расположении желобов четырехтактный цикл четырехтактного двигателя осуществляется за два оборота ротора, т.к. ход поршня осуществляется за поворот ротора на угол 180°, аналогично, как и у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом.The profiles of the arc grooves on the cylindrical surface of the rotor hub are made with two inflection points / cm. Fig.31 /. With this angular arrangement of the grooves, the four-stroke cycle of the four-stroke engine is carried out in two rotor rotations, since the piston stroke is carried out by turning the rotor through an angle of 180 °, similarly as with engines with a crank mechanism.
Возвратно-поступательные движения ползунов осуществляются в направляющих скольжения, а силы от давления газов в цилиндре действуют на один шарик, установленный в ползуне. Результирующая сила от давления газов в цилиндре параллельно переносится из осевого направления ползуна в точку контакта с профилем желоба ротора. В результате, согласно теореме о параллельном переносе сил возникает момент, равный результирующей силе относительно точки контакта шарика с профилем желоба ротора /см. книгу С.М.Тарг. Краткий курс теоретической механики. Наука. Москва, 1964 г., стр.58, п.21/. От этого момента возникают трения ползуна по направляющим, а также и поршня о стенки цилиндра, т.к. ползун выполнен за одно целое со штоком поршня. Кроме того, в точке контакта шарика с профилем желоба результирующая сила раскладывается в силовой многоугольник сил и одна из составляющих создает трение ползуна по направляющим.The reciprocating movements of the sliders are carried out in the slide rails, and the forces from the gas pressure in the cylinder act on one ball mounted in the slide. The resulting force from the gas pressure in the cylinder is simultaneously transferred from the axial direction of the slider to the point of contact with the profile of the rotor trough. As a result, according to the theorem on the parallel transfer of forces, a moment arises equal to the resulting force relative to the point of contact of the ball with the profile of the rotor trough / cm. book S.M.Targ. Short course of theoretical mechanics. The science. Moscow, 1964, p. 58, p. 21 /. From this moment, friction of the slide along the guides, as well as the piston against the cylinder walls, arises. the slider is made in one piece with the piston rod. In addition, at the point of contact of the ball with the profile of the trough, the resulting force is decomposed into a force polygon of forces and one of the components creates friction of the slide along the guides.
Все приведенные потери на трение в значительной степени снижают мощность двигателя.All of the above friction losses significantly reduce engine power.
Если этот двигатель будет иметь диаметры цилиндров 100 мм и максимальное давление в цилиндре 54 кгс/см2, то результирующая сила, действующая на поршень от расширения газов в цилиндре, будет равна 4240 кгс. А при параллельном переносе сил эта результирующая сила переносится на шарик. В результате статическая нагрузка на шарик с учетом контактных напряжений по Герцу должна быть больше или равна результирующей силе.If this engine will have a cylinder diameter of 100 mm and a maximum cylinder pressure of 54 kgf / cm 2 , then the resulting force acting on the piston from the expansion of gases in the cylinder will be 4240 kgf. And with a parallel transfer of forces, this resulting force is transferred to the ball. As a result, the static load on the ball, taking into account Hertz contact stresses, should be greater than or equal to the resulting force.
Статическая нагрузка определяется произведениемStatic load is determined by the product
где β - угол контакта шарика с профилем желоба, который в среднем может быть равен 36°, а cos=0,80902.where β is the contact angle of the ball with the profile of the trough, which on average can be equal to 36 °, and cos = 0.80902.
Приравняв результирующую силу к статической нагрузке и решив приведенное произведение относительно диаметра шарика, его диаметр будет равен 64,75 мм, а вес 1,13 кг.Equating the resulting force to a static load and solving the above product relative to the diameter of the ball, its diameter will be 64.75 mm and weight 1.13 kg.
При таком диаметре шарика конструкция ползуна будет значительно увеличена по массе. А как известно, сила инерции прямолинейно движущихся частей равна произведению массы прямолинейно движущихся частей на ускорение поршня, взятые с обратным знаком. Силы инерции в начале хода поршня противодействуют его движению, а на второй половине, наоборот, помогают. Но расширение газов в цилиндре осуществляется в начале хода поршня, как это видно из индикаторной диаграммы /см. книгу С.С.Баландин. "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания". "Машиностроение", Москва, 1972 г., с.141, рис 1/.With this diameter of the ball, the design of the slider will be significantly increased in mass. And as you know, the inertia force of rectilinearly moving parts is equal to the product of the mass of rectilinearly moving parts and the acceleration of the piston, taken with the opposite sign. The inertia forces at the beginning of the piston stroke counteract its movement, and on the second half, on the contrary, help. But the expansion of gases in the cylinder is carried out at the beginning of the piston stroke, as can be seen from the indicator diagram / cm. book S.S. Balandin. "Rodless internal combustion engines." "Engineering", Moscow, 1972, p. 141, Fig. 1 /.
При большой массе у ползуна увеличиваются и силы инерции, а это в значительной степени снижает мощность двигателя и уменьшается срок службы двигателя.With a large mass, the inertia forces increase in the slider, and this significantly reduces the engine power and reduces the engine life.
Механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала ротора, имеет существенные недостатки. Отсутствие осевого поступательного движения шарика относительно ползуна. Ввиду этого качение шарика по профилю желоба втулки ротора не может осуществляться, а происходит скольжение с повышенным трением, т.к. скорость центра шарика равна половине линейной скорости движения хода поршняThe mechanism that converts the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the rotor shaft has significant disadvantages. The lack of axial translational motion of the ball relative to the slider. In view of this, the ball cannot be rolled along the profile of the groove of the rotor sleeve, but slip with increased friction, because the ball center speed is equal to half the linear piston stroke velocity
где v0 - средняя скорость движения хода поршня.where v 0 is the average piston stroke speed.
Высота профиля желобов от верхней точки перегиба до нижней точки равна длине хода поршня. Но при качении шарика по желобу шарик проходит путь, равный половине этой длины хода поршня. А так как отсутствует осевое поступательное движение шарика относительно ползуна, то возникает скольжение с повышенным трением, которое в значительной степени снижает мощность двигателя.The height of the gutter profile from the upper inflection point to the lower point is equal to the length of the piston stroke. But when the ball is rolling along the trough, the ball passes a path equal to half this piston stroke length. And since there is no axial translational motion of the ball relative to the slide, sliding occurs with increased friction, which significantly reduces engine power.
Индикаторная мощность у каждого двигателя зависит от среднего индикаторного давления Р. С увеличением среднего индикаторного давления возрастает индикаторная мощность и степень использования рабочего объема цилиндра. Максимальное значение среднего индикаторного давления в различных двигателях зависит от многих факторов, которые имеются в каждом конкретном двигателе.The indicator power of each engine depends on the average indicator pressure P. With an increase in the average indicator pressure, the indicator power and the degree of use of the working volume of the cylinder increase. The maximum value of the average indicator pressure in various engines depends on many factors that are available in each particular engine.
Зная среднее индикаторное давление Р, можно определить индикаторную мощность двигателя.Knowing the average indicator pressure P, it is possible to determine the indicator power of the engine.
Тангенциальную силу Т, касательную к контактной окружности вращения ротора, которая создает крутящий момент, можно определить по соотношениюThe tangential force T tangent to the contact circle of the rotor rotation, which creates the torque, can be determined by the ratio
где Р0 - атмосферное давление,where P 0 - atmospheric pressure,
βср - среднее значение угла подъема профиля желоба по контактной дорожке качения, которое равно 27°55', а тангенс 0,5298.β cf - the average value of the angle of elevation of the profile of the trough along the contact track, which is 27 ° 55 ', and the tangent is 0.5298.
Из приведенного соотношения видно, что для получения полезной работы используется 52,88% среднего индикаторного давления, а 47,02% теряется.From the above ratio it is seen that 52.88% of the average indicator pressure is used to obtain useful work, and 47.02% is lost.
У двигателей с кривошипно-шатунным механизмом для получения полезной работы используется 67,29% среднего индикаторного давления при отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равном 1/38.For engines with a crank mechanism, 67.29% of the average indicator pressure is used to obtain useful work with a ratio of the radius of the crank to the length of the connecting rod equal to 1/38.
Известен бескривошипный четырехтактный двигатель, патент Российской Федерации №2187673, F02В 75/25, F01В 9/06 от 24.04.2001 г.Known crankless four-stroke engine, patent of the Russian Federation No. 2187673, F02B 75/25, F01B 9/06 from 04.24.2001,
Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых расположены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров, в которой установлены клапана, корпус блока, в котором установлен многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя. На передней и задней торцевых поверхностях обода ротора-маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления. Полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба. Каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня. Передний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности передней радиальной кривизны и выполнен наклонным относительно радиальной плоскости. Задний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности задней радиальной кривизны и выполнен наклонным относительно радиальной плоскости.The engine contains a cylinder block with axially arranged cylinders in which the pistons are arranged for reciprocating movement, a cylinder head in which the valves are installed, a block body in which a multi-period spatial power mechanism is installed, which converts the reciprocating movements of the pistons into rotational shaft movement engine. On the front and rear end surfaces of the rim of the rotor-flywheel of the multi-period spatial power mechanism, right and left directions are made of toro-screw profiles with an even number of half-periods. Each half-period of the right direction is sequentially paired with a half-period of the left direction. Half-periods are separated by elliptical and hyperbolic inflection points. Each elliptical inflection point is the top dead center of the axial piston stroke, and the hyperbolic inflection point is the bottom dead center of the axial piston stroke. The front torodo-screw profile in the radial plane is formed by an arc of a circle of the front radial curvature and is made inclined relative to the radial plane. The rear torus-screw profile in the radial plane is formed by an arc of a circle of the rear radial curvature and is made inclined relative to the radial plane.
В вилковидных головках штока установлены рабочий и вспомогательный ролики, на наружных поверхностях которых выполнены желоба. Рабочий и вспомогательный ролики установлены с возможностью взаимодействия с тородуговинтовыми профилями обода ротора-маховика. Газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых валиков, соосно соединенных конической шестерней. Коническая шестерня кинематически связана с конической шестерней, установленной на валу двигателя. Клапана в цилиндрах установлены на равных расстояниях от диаметральной плоскости блока цилиндров и параллельно плоскости.In the fork-shaped rod heads, working and auxiliary rollers are installed, on the outer surfaces of which grooves are made. The working and auxiliary rollers are installed with the possibility of interaction with the toro-screw profiles of the rim of the rotor-flywheel. The gas distribution mechanism is made in the form of two cam rollers coaxially connected by a bevel gear. The bevel gear is kinematically connected to the bevel gear mounted on the motor shaft. Valves in the cylinders are installed at equal distances from the diametrical plane of the cylinder block and parallel to the plane.
Техническая задача, решаемая изобретением, не порочит новизну изобретения патента №2187673.The technical problem solved by the invention does not discredit the novelty of the invention of patent No. 2187673.
В данном техническом решении целесообразно применено конструктивное исполнение газораспределительного механизма, которое запатентовано в вышеприведенном патенте.In this technical solution, it is advisable to use the design of the gas distribution mechanism, which is patented in the above patent.
Техническая задача, решаемая изобретением:The technical problem solved by the invention:
Создание надежного в работе, простого и компактного по конструктивному исполнению нового бескривошипного двигателя внутреннего сгорания, у которого каждый цилиндр снабжен своим винтошаровым механизмом, в котором возвратно-поступательные движения поршней преобразуются во вращательные движения.Creation of a reliable, simple and compact constructional design of a new crankless internal combustion engine, in which each cylinder is equipped with its own screw-ball mechanism, in which the reciprocating movements of the pistons are converted into rotational movements.
Осуществление полноценного использования сил среднего индикаторного давления в полезную работу, чем достигается повышение эффективной мощности двигателя без изменения процессов в цилиндрах.The full use of the forces of average indicator pressure in useful work is achieved, thereby increasing the effective engine power without changing the processes in the cylinders.
Снижение удельного расхода топлива на единицу мощности.Decrease in specific fuel consumption per unit of power.
Осуществление точного направленного движения поршневых штоков и поршней в цилиндрах.The implementation of accurate directional movement of the piston rods and pistons in the cylinders.
Снижение механических потерь во всех кинематических парах.Decrease in mechanical losses in all kinematic pairs.
Снижения трения в парах поступательного движения.Friction reduction in translational motion pairs.
Повышение КПД двигателя в целом.Improving engine efficiency in general.
Техническая задача решена тем, что каждый цилиндр снабжен своим винтошаровым механизмом, преобразующим возвратно-поступательные движения поршней во вращательные движения приводного вала. Ротор винтошарового механизма установлен соосно с поршневым штоком и соединен через посредство двухрядного упорного и радиального подшипников, а с приводным валом соединен шаровым соединением. По образующей цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба с углом наклона винтовых линий на угол 45° и с четным количеством полупериодов движений. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления дугами окружностей равной кривизны. Полупериоды разделены верхней и нижней точками перегиба, а каждая верхняя точка перегиба является верхней мертвой точкой хода поршня, а нижняя точка перегиба является нижней мертвой точкой хода поршня. Профили в верхней и нижней точках перегиба выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом Rж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара и по развернутой делительной окружности цилиндра ротора на плоскость образованы выпуклыми и вогнутыми дугами окружностей одинаковым по величине радиусом R, которые плавно и касательно сопряжены винтовыми линиями правого и левого направлений, а расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба равно половине хода поршня H=0,5S. Профили правого и левого желобов в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом Rж, c углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17. Контактные дорожки качения правого и левого желобов выполнены в зависимости от направления движения поршня - прямого хода "П" и возвратного хода "В". В желобах ротора через полупериод установлены шары, которые размещены в гнездах сепаратора, выполненного в виде кольца. Блок цилиндров установлен соосно с корпусом двигателя, а выполненные в корпусе отверстия соосно совмещены с цилиндрами. В каждом отверстии корпуса двигателя на равных расстояниях по окружности выполнены оваловидного профиля пазы, а в этих пазах установлены оваловидного профиля упорные вкладыши. На обращенных к ротору поверхностях у этих вкладышей выполнены ответные дуговые желоба с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара осевого направления. Шары взаимодействуют с дорожками качения желобов ротора и с дорожками качения упорных вкладышей, выполненных в желобах. По образующей внутреннего отверстия ротора винтошарового механизма выполнены полуэллипсовидного профиля канавки осевого направления, образованные в виде двух дуг окружностей радиусом Rжн касательно сопряженных дугами впадин с углом контактного давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков. Ответные полуэллипсовидного профиля канавки выполнены и по образующей поверхности цилиндра приводного вала. В канавках размещены ряды шариков, которые установлены в гнездах сепаратора, выполненного в виде втулки. Шарики установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения ротора и приводного вала, выполненных на боковых поверхностях канавок у ротора и у приводного вала. По образующей поверхности цилиндра поршневого штока выполнены полуэллипсовидного профиля канавки, образованные в виде двух дуг окружностей радиусом Rжн касательно сопряженных дугами впадин с углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков с дорожками качения на боковых поверхностях. Ответные полуэллипсовидного профиля канавки выполнены и в отверстии направляющей втулки штока. В канавках поршневого штока и направляющей втулки установлены ряды шариков, которые установлены в гнездах сепаратора, выполненного в виде втулки. Шарики взаимодействуют с дорожками качения поршневого штока и направляющей втулки, а дорожки качения выполнены на боковых поверхностях канавок направляющей втулки. Приводные валы винтошарового механизма своими шестернями соединены с шестерней вала двигателя.The technical problem is solved in that each cylinder is equipped with its own rotary-ball mechanism, which converts the reciprocating movements of the pistons into rotational movements of the drive shaft. The rotor of the screw-ball mechanism is mounted coaxially with the piston rod and is connected via double row thrust and radial bearings, and is connected to the drive shaft by a ball joint. On the generatrix of the cylindrical surface of the rotor of the screw ball mechanism, right and left directions are made of arc-arc grooves with an angle of inclination of helical lines at an angle of 45 ° and with an even number of half-periods of movements. Each half-period of the right direction is sequentially conjugated with a half-period of the left direction by arcs of circles of equal curvature. The half periods are separated by the upper and lower inflection points, and each upper inflection point is the top dead center of the piston stroke, and the lower inflection point is the bottom dead center of the piston stroke. The profiles at the upper and lower inflection points are made semi-ellipsoid in the form of two lateral arcs of circles of radius R and tangentially conjugate with arcs of contact with an angle of contact equal to 45 ° relative to the perpendicular to the axis of the rotor passing through the center of the ball and are formed convex along the turned pitch circle of the rotor cylinder and concave arcs of circles of the same radius R, which are smoothly and tangentially conjugated by helical lines of the right and left directions, and the distance from the upper inflection point is d lower inflection point equal to half the piston stroke H = 0,5S. The profiles of the right and left grooves in the cross section are arched, defined by a radius R f , with a contact angle of 45 ° relative to the radial plane passing through the center of the
Ротор винтошарового механизма с приводным валом и поршневой шток с направляющей втулкой штока соединены шариковыми соединениями качения с контактом каждого шарика на четыре точки и углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, а отношение радиуса Rжн к диаметру шарика в диапазоне 0,505-0,520dш.The rotor of the screw-ball mechanism with a drive shaft and the piston rod with a rod guide sleeve are connected by ball joints of rolling with a contact of each ball at four points and a pressure angle of 45 ° relative to the radial plane, and the ratio of the radius R yn to the diameter of the ball is in the range 0.505-0.520d w .
За один оборот ротора винтошарового механизма при шести полупериодах движений осуществляется полтора четырехтактных рабочих цикла или три четырехтактных рабочих цикла за два оборота ротора.For one revolution of the rotor of the screw-ball mechanism with six half-periods of movements, one and a half four-stroke duty cycles or three four-stroke duty cycles for two rotor rotations are carried out.
Расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба винтодуговых желобов ротора при двухточечном контакте шаров с винтодуговыми желобами ротора и желобами упорных вкладышей определено величиной Н=0,5S, а при трехточечном контакте это расстояние будет равно Н=2/3S.The distance from the upper inflection point to the lower inflection point of the screw-arc rotor troughs at the point-to-point contact of the balls with the screw-arc rotor troughs and the thrust liners is determined by the value of H = 0.5S, and with a three-point contact this distance will be equal to H = 2 / 3S.
При трехточечном контакте желоба у упорных вкладышей выполнены в виде двух боковых дуг окружностей радиусом Rж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно плоскости проходящей через центр шара, т.е. полуэллипсовидными.With a three-point contact, the troughs of the thrust inserts are made in the form of two lateral arcs of circles of radius R and tangentially conjugated by arcs of the troughs with a contact angle of 45 ° relative to the plane passing through the center of the ball, i.e. semi-ellipsoid.
Длина желобов у упорных вкладышей определена в зависимости от точек контактов шаров с винтодуговыми желобами и желобами упорных вкладышей. При двухточечном контакте длина равна Н=0,5S+0,707dш, а при трехточечном контакте эта длина будет равна Н=2/3S+0,707dш.The length of the grooves of the thrust liners is determined depending on the points of contact of the balls with the screw-arc grooves and the grooves of the thrust liners. With two-point contact, the length is H = 0.5S + 0.707d w , and with a three-point contact this length will be H = 2 / 3S + 0.707d w .
По образующей цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба с углом наклона винтовых линий на угол 45° с четным количеством полупериодов t, а профили желобов в поперечном сечении /по нормали/ выполнены полуэллипсовидными, образованными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом Rж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара, ответные осевого направления полуэллипсовидного профиля желоба в поперечном сечении выполнены и на обращенных к ротору поверхностях в упорных вкладышах, а установленные в желобах шары взаимодействуют с контактными дорожками, образуя четырехточетный контакт.Along the generatrix of the cylindrical surface of the rotor of the screw ball mechanism, right and left directions are made of arc-arc grooves with an angle of inclination of helical lines at an angle of 45 ° with an even number of half-periods t, and the profiles of the grooves in the cross section / normal / are made semi-ellipsoid, formed in the form of two side arcs of circles of radius R w conjugate arcs on the depressions to the contact angle of 45 ° relative to the perpendicular to the rotor axis passing through the center of the ball, the response to the axial direction poluellipsovidnog Trench profile in cross section and formed on the surfaces facing the rotor in the thrust bushings, and balls mounted in the troughs cooperate with contact paths forming chetyrehtochetny contact.
В зависимости от назначения двигателя ротор винтошарового механизма может иметь четыре полупериода движений, шесть полупериодов движений, восемь полупериодов движений и т.д. Контакт шаров с желобами: двухточечный, трехточечный и четырехточечный.Depending on the purpose of the engine, the rotor of the screw ball mechanism can have four half-periods of movements, six half-periods of movements, eight half-periods of movements, etc. The contact of the balls with the gutters: two-point, three-point and four-point.
Углы подъема винтовых линий, в пределах от 20 до 60°, а более оптимальный - угол 45°.The helix elevation angles range from 20 to 60 °, and the more optimal angle is 45 °.
Количество цилиндров определяется в зависимости от назначения двигателя и его мощности: двухцилиндровые, четырехцилиндровые, шестицилиндровые, восьмицилиндровые и т.д.The number of cylinders is determined depending on the purpose of the engine and its power: two-cylinder, four-cylinder, six-cylinder, eight-cylinder, etc.
Винтошаровые двигатели могут изготавливаться в виде блоков, соединенных (несколько блоков) редуктором.Rotary-screw motors can be made in the form of blocks connected (several blocks) by a reducer.
Например, три блока по четыре цилиндра в каждом блоке. В этом варианте трехблочный четырехтактный двигатель будет иметь мощность 688,5 л.с. или 506,3 кВт. А трехблочный двухтактный двигатель по четыре цилиндра в блоке будет иметь мощность 1377 л.с. или 1012,5 кВт, а число оборотов 750 об/мин.For example, three blocks with four cylinders in each block. In this version, the three-block four-stroke engine will have a power of 688.5 hp. or 506.3 kW. A three-block two-stroke engine with four cylinders in the block will have a power of 1377 hp. or 1012.5 kW, and the speed of 750 rpm.
Трехблочный двухтактный двигатель может быть применен в качестве главного двигателя на вертолете.Three-block two-stroke engine can be used as the main engine in a helicopter.
Двигатели, цилиндры которых снабжены винтошаровыми механизмами, конструктивно просты. Для их изготовления не требуется специального оборудования.Engines, the cylinders of which are equipped with screw-ball mechanisms, are structurally simple. For their manufacture does not require special equipment.
Двигатели экологически чисты, т.к. расход топлива 121 г/лошадиную силу в час или 155 г/кВт час.Engines are environmentally friendly, because fuel consumption of 121 g / horsepower per hour or 155 g / kW hour.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображен винтошаровой четырехтактный двигатель, продольный разрез;Figure 1 shows a rotary screw four-stroke engine, a longitudinal section;
на фиг.2 - то же, продольный разрез винтошарового механизма;figure 2 is the same, a longitudinal section of a screw-ball mechanism;
на фиг.3 - то же, вид сверху в частичном разрезе фиг.1;figure 3 is the same, a top view in partial section of figure 1;
на фиг.4 - то же, вид Б на фиг.3;figure 4 is the same, view B in figure 3;
на фиг.5 - то же, профили желобов ротора развернутой делительной окружности;figure 5 is the same, the profiles of the grooves of the rotor of the expanded pitch circle;
на фиг.6 - то же, поперечный разрез по А-А фиг.2;figure 6 is the same, a cross section along aa of figure 2;
на фиг.7 - то же, сечение взаимодействия шара с желобами ротора и упорного вкладыша;Fig.7 is the same, the cross-section of the interaction of the ball with the grooves of the rotor and the thrust liner;
на фиг.8 - то же, сечение взаимодействия шариков шаровых соединений качения с контактом шариков на четыре точки;on Fig is the same, the cross-section of the interaction of the balls of the ball joints of rolling with the contact of the balls at four points;
на фиг.9 - то же, схема взаимодействия шара с желобом ротора и упорного вкладыша в момент начала хода поршня;figure 9 is the same, a diagram of the interaction of the ball with the groove of the rotor and the thrust liner at the time the piston starts;
на фиг.10 - то же, вид упорного вкладыша и его желоба;figure 10 is the same, the view of the thrust liner and its gutter;
на фиг.11 - то же, схема взаимодействия шара с желобом ротора и упорного вкладыша в момент возвратного хода поршня.figure 11 is the same, the interaction diagram of the ball with the groove of the rotor and the thrust liner at the time of the return stroke of the piston.
Винтошаровой четырехтактный двигатель содержит блок цилиндров 1, к торцам которого соосно присоединены корпус двигателя 2 и головка блока цилиндров 3. В блоке цилиндров 1 в аксиальных и диаметрально противоположных один другому отверстиях установлены цилиндры 4, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения установлены поршни 5. В корпусе двигателя 2 соосно цилиндрам выполнены отверстия, в которых установлены роторы 6 винтошаровых механизмов, преобразующих движения. Каждый ротор 6 установлен на приводном валу 7 и соосно соединен через посредство совмещенных двухрядного упорного и радиального шарикоподшипников с поршневым штоком 8. Ротор 6 выполнен в виде полого цилиндра с внутренним фланцем. На внешнем выступе фланца выполнен желоб упорного двухрядного шарикоподшипника. На торцевых поверхностях фланца 9 поршневого штока 8 выполнены желоба. Ответные желоба выполнены и на внешней обойме 10. Между желобом ротора установлены ряды шариков 11, размещенные в гнездах сепараторов. Шарики 11 установлены с возможностью взаимодействия с желобами фланца ротора 6, фланца поршневого штока и обоймы 10 в целом являются двухрядным упорным шарикоподшипником. В отверстии фланца ротора 6 выполнен желоб. Ответный желоб выполнен и на цапфе поршневого штока 8. Между желобами фланца ротора и цапфы поршневого штока установлены ряды шариков 12, которые размещены в гнездах сепаратора. Шарики 12 установлены с возможностью взаимодействия с желобами фланца ротора и цапфой поршневого штока, а в целом являются радиальным шарикоподшипником. Совмещенные шарикоподшипники закрыты крышкой 13, а крышка сцентрирована и закреплена к фланцу ротора 6. По образующей цилиндрической поверхности ротора 6 выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба 14 с углом наклона винтовых линий на угол 45° с четным количеством полупериодов движений. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления дугами окружностей равной кривизны. Полупериоды разделены верхней 15 и нижней 16 точками перегиба. Профили желобов в верхней и нижней точках перегиба выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом Rж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара 17. Расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба определено величиной Н. Величина этого расстояния определена в прямой зависимости от количества точек контакта шаров 17 с желобами ротора и упорных вкладышей.The rotary screw four-stroke engine contains a cylinder block 1, to the ends of which a
При двухточечном контакте Н=0,5S.With point-to-point contact, H = 0.5S.
При трехточечном контакте Н=2/3S,With a three-point contact, H = 2 / 3S,
где S - ход поршня.where S is the piston stroke.
Профили правого и левого винтодуговых желобов ротора в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом Rж с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17. Делительная окружность в поперечном сечении ротора 6 совмещена с дорожками качения как правого, так и левого направлений полупериодов движений. Контактные дорожки качения правого и левого желобов выполнены в прямой зависимости от направления движения поршня - прямого хода "П" и возвратного хода "В". В желобах ротора 6 через полупериод t установлены шары 17, которые размещены в гнездах сепаратора 18, который выполнен в виде кольца.The profiles of the right and left screw-arc rotor grooves in the cross section are arched, defined by a radius R w with a contact angle of 45 ° relative to the radial plane passing through the center of the
В каждом отверстии корпуса двигателя 2 на равных расстояниях по окружности выполнены оваловидные пазы, в которых установлены упорные вкладыши 19 с осевыми желобами, обращенными к поверхности ротора 6. Желоба у упорных вкладышей выполнены в зависимости от точечного контакта шаров 17 с желобами ротора. При двухточечном контакте шаров 17 желоба у упорных вкладышей в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом Rж с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17. При трехточечном контакте шаров 17 желоба у упорных вкладышей выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом Rж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара. В этом исполнение шары 17 контактируют с упорными вкладышами на две точки. Шары 17 установлены с возможностью взаимодействия с желобами ротора и упорных вкладышей. По образующей цилиндра внутреннего отверстия ротора 6 выполнены полуэллипсовидного профиля осевого направления канавки 20, образованные в виде двух боковых дуг окружностей радиусом Rжн, касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта - давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, преходящей через центры шариков 21. Ответное полуэллипсовидного профиля канавки 22 осевого направления выполнены и по образующей цилиндра приводного вала 7, между канавками размещены ряды шариков 21, установленные в гнездах сепаратора 23, выполненного в виде втулки. Шарики 21 установлены с возможностью взаимодействия с канавками ротора 6 и канавками приводного вала 7, а в целом составляют шариковое соединение качения с четырехточечным контактом шариков с канавками. При наличии этого соединения осуществляется возвратно-поступательное движение-качение и одновременно передача вращающегося момента от ротора к приводному валу, т.е. передача крутящего момента от ротора к приводному валу.Oval-shaped grooves are made in each hole in the
По образующей поверхности цилиндра поршневого штока 8 выполнены полуэллипсовидного профиля канавки 24, образованные в виде двух дуг окружностей по бокам радиусом Rжн касательно сопряженных дугами впадин с углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков 25. Ответные полуэллипсовидного профиля канавки 26 выполнены и в отверстии направляющей втулки 27 поршневого штока. Между канавками установлены ряды шариков 25, размещенные в гнездах сепаратора 28, выполненного в виде втулки. Шарики 25 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения канавок поршневого штока и направляющей втулки. Направляющая втулка 27 установлена и закреплена к торцу корпуса двигателя 2. Поршни 5 сцентрированы и соединены со штоком резьбовым соединением и застопорены шайбой 29. Приводные валы 7 установлены на шарикоподшипниковых опорах 30 и 31, а между этих опор на валах установлены шестерни 32. Центральный вал двигателя 33 установлен на трех шарикоподшипниковых опорах 34, 35 и 36, а между опорами 30 и 34 а на валу установлена шестерня 37, которая кинематически связана с шестернями приводных валов.On the generatrix of the cylinder surface of the
На валу 33 установлена шестерня 37, которая кинематически связана с шестернями 32 приводных валов 7. За одно целое с валом 33 выполнена шестерня 38 привода маслонасоса /который на чертеже не показан/. На центральном валу 33 установлены шестерня 39 привода вспомогательных механизмов и шестерня 40 привода газораспределительного механизма.A gear 37 is mounted on the shaft 33, which is kinematically connected with the gears 32 of the
Газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых распределительных валиков 41, соосно соединенных конической шестерней 42, которая кинематически связана с конической шестерней 40, установленной на центральном валу двигателя. Впускные 43 и выпускные 44 клапана установлены в головке блока цилиндров 3 на равных расстояниях от диаметральной плоскости и перпендикулярно этой плоскости. Впускные 43 и выпускные 44 клапана приводятся в действие соответствующими коромыслами 45 и 46, которые установлены на осях 47. Коромысла 45 и 46 содержат регулируемые винты 48, которые взаимодействуют с колпачками 49, и ролики 50, установленные с возможностью взаимодействия с кулачками распределительных валиков 41. Каждый распределительный валик имеет четыре кулачка, расположенных по окружности. Стержень каждого клапана с его пружиной закрыт колпачком 49, а каждый колпачок выполнен в виде стакана и соединен со стержнем клапана. С конической шестерней 39 кинематически связан приводной вал 51 привода вспомогательных механизмов. На конце центрального вала 33 установлен маховик 52 с шестерней сцепления.The gas distribution mechanism is made in the form of two
Основным механизмом нового двигателя является винтошаровой механизм, который преобразует возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение приводного вала, а основной деталью этого механизма является ротор 6. Ротор 6 совершает сложные движения - возвратно-поступательные вдоль оси и вращательные вокруг той же оси одновременно и передачу крутящего момента. Шариковое соединение ротора 6 с приводным валом 7 обеспечивает возвратно-поступательное движение-качение ротора относительно приводного вала 7 и одновременно передачу вращения и крутящего момента от ротора к приводному валу.The main mechanism of the new engine is a rotary-ball mechanism, which converts the reciprocating movements of the pistons into rotational motion of the drive shaft, and the main part of this mechanism is the
Шариковое соединение поршневого штока 8 направляющей втулкой 27 обеспечивает возвратно-поступательное движение-качение поршневого штока относительно направляющей втулки, а также и прямолинейное движение поршня относительно цилиндра.Ball connection of the
Винтошаровой механизм имеет несколько конструктивных вариантов, которые отличаются количеством полупериодов движений, наличием шаров 17 в винтодуговых желобах ротора 6 и количеством точек контакта шаров с желобами ротора и упорных вкладышей 19.The screw-ball mechanism has several design options that differ in the number of half-periods of movements, the presence of
Первый вариантFirst option
По наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены шесть полупериодов движений, в желобах установлены три шара 17, которые взаимодействуют с желобами ротора и упорными вкладышами при двухточечном контакте.Six half-periods of movements are made along the outer cylindrical surface of the rotor, three
В этом варианте исполнения за один оборот ротора 6 осуществляется полтора четырехтактных цикла или три четырехтактных цикла за два оборота ротора.In this embodiment, for one revolution of the
За один полупериод движения ротор проходит путь, равный 0,5S, и одновременно поворачивается на угол 60°.In one half-cycle of movement, the rotor passes a path equal to 0.5S, and at the same time rotates through an angle of 60 °.
Передаточное число от приводного вала к валу двигателя равно 1,5.The gear ratio from the drive shaft to the engine shaft is 1.5.
Второй вариантSecond option
По наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены четыре полупериода движений, в желобах установлены два шара 17, которые взаимодействуют с желобами ротора и упорными вкладышами при двухточечном контакте.Four half-periods of movements are made along the outer cylindrical surface of the rotor, two
В этом варианте исполнения за один оборот ротора осуществляется один четырехтактный цикл.In this embodiment, one four-stroke cycle is carried out per revolution of the rotor.
За один полупериод движения ротор проходит путь, равный 0,5S, и одновременно поворачивается на угол 90°.In one half-cycle of movement, the rotor passes a path equal to 0.5S, and at the same time rotates through an angle of 90 °.
Передаточное число от приводного вала к валу двигателя равно единице.The gear ratio from the drive shaft to the engine shaft is equal to one.
При первом и втором вариантах конструктивных исполнений скорость поступательного движения ротора равна половине средней скорости поршня.In the first and second embodiments, the translational speed of the rotor is equal to half the average piston speed.
Третий вариантThird option
В этом варианте осуществлен трехточечной контакт шаров 17 с желобами ротора и упорными вкладышами. При этом варианте шары 17 одной точкой контактируют с желобами ротора, а двумя точками с упорными вкладышами.In this embodiment, a three-point contact of the
За один полупериод движения ротор проходит путь, равный 2/3S,In one half-cycle of movement, the rotor passes a path equal to 2 / 3S,
где S - осевой ход поршня.where S is the axial stroke of the piston.
Скорость поступательного движения ротора равна 2/3 средней скорости поршня.The rotational speed of the rotor is equal to 2/3 of the average piston speed.
Более предпочтительный вариант первый, т.к. ротор центрируется на три точки по отношению к корпусу двигателя.The preferred option is the first, because the rotor is centered on three points with respect to the motor housing.
Определение параметров увеличения мощностиDetermination of power increase parameters
Основными, параметрами увеличения мощности являются:The main parameters for increasing power are:
Среднее эффективное давление, так как эффективная мощность двигателя прямо пропорциональна среднему эффективному давлению.The average effective pressure, since the effective engine power is directly proportional to the average effective pressure.
Средняя скорость поршня, определяющая быстроходность двигателя.The average piston speed that determines engine speed.
Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину среднего давления механических потерь.The average effective pressure is less than the average indicator pressure by the average pressure of mechanical losses.
Среднее индикаторное давление - это то давление, которое в течение одного хода поршня совершает работу, равную работе газов за цикл.The average indicator pressure is the pressure that during one stroke of the piston performs work equal to the work of gases per cycle.
Среднее давление механических потерь зависит от конструкции двигателя, а особенно от степени использования рабочего объема цилиндра.The average pressure of mechanical losses depends on the design of the engine, and especially on the degree of use of the working volume of the cylinder.
Большие потери среднего индикаторного давления происходят в процессе преобразования возвратно-поступательных движений поршней во вращательное движение коленчатого вала.Large losses of average indicator pressure occur during the conversion of reciprocating movements of the pistons into rotational motion of the crankshaft.
Например, у двигателя при отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равном 1/3,8 по углу поворота коленчатого вала от 0 до 180°, среднее значение величины отношения равно 0,6729. Следовательно, для получения полезной работы используется 67,29% среднего индикаторного давления, а 32,71% теряется.For example, for an engine with a ratio of the crank radius to the length of the connecting rod equal to 1 / 3.8 in the angle of rotation of the crankshaft from 0 to 180 °, the average value of the ratio equal to 0.6729. Therefore, to obtain useful work, 67.29% of the average indicator pressure is used, and 32.71% is lost.
У винтошарового двигателя по цилиндрической поверхности ротора 6 винтодуговые желоба выполнены с углом подъема винтовых линий, равным 45°, а средний приведенный тангенс угла равен 0,9469. Для получения полезной работы используется 94,69% среднего индикаторного давления, а теряется 5,31%. В результате среднее эффективное давление увеличивается на 27,4% по отношению к существующим двигателям.In a rotary-ball engine, along the cylindrical surface of the
Средняя скорость поршня, определяющая быстроходность двигателя, определена с учетом количества полупериодов движений по отношениюThe average piston speed, which determines the engine speed, is determined taking into account the number of half-periods of movements in relation to
где Z - число полупериодов движений,where Z is the number of half-periods of movements,
S - ход поршня, м,S - piston stroke, m,
n - число оборотов ротора, об/мин.n is the number of revolutions of the rotor, rpm
Например, при шести полупериодах движений и 1500 об/мин ротора, а ход поршня 0,1 м, средняя скорость поршня равна 15 м/сек.For example, with six half-periods of movements and 1500 rpm of the rotor, and the piston stroke is 0.1 m, the average piston speed is 15 m / s.
Это дает возможность форсировать двигатель по быстроходности.This makes it possible to force the engine for speed.
Работа двигателяEngine operation
Последовательное взаимодействие цилиндров осуществляется через посредство приводных валов 7 шестерен 32, которые кинематически связаны с шестерней 37, установленной на валу 33 двигателя.The sequential interaction of the cylinders is carried out through the
Рабочим процессом является совокупность последовательных и периодически повторяющихся циклов в каждом цилиндре двигателя. Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня /часть рабочего цикла/, называются тактом.The workflow is a set of sequential and periodically repeating cycles in each cylinder of the engine. Workflows that occur during one stroke of the piston / part of the duty cycle / are called tact.
Такты четырехтактного двигателя: 1 - впуск или наполнение, 2 - сжатие, 3 - сгорание и расширение /рабочий ход/, 4 - выпуск газов.The strokes of a four-stroke engine: 1 - inlet or filling, 2 - compression, 3 - combustion and expansion / stroke /, 4 - exhaust gases.
Порядок работы цилиндров за один оборот вала двигателя приведен в таблице 1.The operation of the cylinders per revolution of the engine shaft is given in table 1.
В момент прямого хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке ротор проходит путь от нижней точки перегиба к верхней точке перегиба. В момент возвратного хода поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке ротор проходит путь от верхней точки перегиба к нижней точке перегиба.At the moment of direct piston stroke from the top dead center to the bottom dead center, the rotor passes the path from the lower inflection point to the upper inflection point. At the moment the piston returns from the bottom dead center to the top dead center, the rotor passes from the upper inflection point to the lower inflection point.
В момент движений ротора шары 17 совместно с сепаратором 18 совершают движения от нижнего положения к верхнему и обратно от верхнего положения к нижнему.At the moment of the rotor movements, the
В процессе третьего такта /третий цилиндр/ происходит сгорание и расширение /рабочий ход/ при прямом ходе поршня. В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества тепла температура и давление в цилиндре резко повышаются. Под действием давления происходит перемещение поршня и расширение газов.In the process of the third stroke / third cylinder / there is combustion and expansion / stroke / with a direct stroke of the piston. At the beginning of a measure, the fuel received at the end of the second measure is burned up intensively. Due to the release of large amounts of heat, the temperature and pressure in the cylinder increase sharply. Under pressure, the piston moves and the gases expand.
Результирующая сила от давления газов на поршень через поршневой шток передается ротору и шарам 17 и равномерно распределяется между шарами, образуя три составляющие силы. Эти составляющие при взаимодействии шаров 17 с винтодуговыми желобами ротора 6 и с желобами упорных вкладышей 19 раскладываются, образуя окружные силы, касательные к делительной окружности профилей желобов ротора.The resulting force from the gas pressure on the piston through the piston rod is transmitted to the rotor and
От расширения газов в цилиндре поршень совершает прямой ход, а ротор - сложные движения, проходит путь от нижней точки перегиба к верхней точке перегиба и одновременно вращение вокруг оси на угол поворота 60°. Вращательное движение от ротора 6 передается через шариковое соединение приводному валу 7. А от приводного вала через посредство шестерни 32, сидящей на приводном валу, шестерне 37, установленной на центральном валу двигателя. Передаточное число шестерен равно 1,5, за это же время центральный вал 33 двигателя повернется на угол 90°.From the expansion of gases in the cylinder, the piston makes a direct stroke, and the rotor makes complex movements, travels from the lower inflection point to the upper inflection point and at the same time rotates around the axis by a rotation angle of 60 °. The rotational movement from the
Аналогичные такты расширения газов последовательно осуществляются и в остальных цилиндрах, а порядок работы цилиндров равен 1-2-3-4.Similar gas expansion cycles are sequentially carried out in the remaining cylinders, and the order of the cylinders is 1-2-3-4.
Таким образом, за один оборот вала двигателя осуществляются четыре такта расширения газов по одному такту в каждом цилиндре.Thus, for one revolution of the engine shaft, four gas expansion cycles are carried out, one cycle in each cylinder.
Маховик 52 является аккумулятором кинетической энергии. Во время тактов расширения газов часть совершаемой в цилиндрах работы полезно используется, часть расходуется на преодоление механических потерь, а остальная часть - избыточная работа расходуется на увеличение кинетической энергии движущихся частей остальных тактов сжатия, впуска и выпуска.Flywheel 52 is a battery of kinetic energy. During gas expansion cycles, part of the work performed in the cylinders is useful, part is spent on overcoming mechanical losses, and the rest is excess work spent on increasing the kinetic energy of the moving parts of the remaining compression, intake and exhaust cycles.
При четырех тактах расширения газов последовательно в четырех цилиндрах за один оборот вала 33 двигателя обеспечиваются меньшие колебания угловой скорости вала, т.е. меньшая степень неравномерности вращения двигателя.With four gas expansion strokes successively in four cylinders for one revolution of the motor shaft 33, smaller fluctuations in the angular velocity of the shaft are provided, i.e. less uneven engine rotation.
При шестиполупериодном роторе осуществляется шесть ходов поршня, а в цилиндрах осуществляется полтора четырехтактных цикла за один оборот ротора. За это же время вал двигателя сделает полтора оборота.With a six-half-rotor, six strokes of the piston are carried out, and one and a half four-cycle cycles are performed in the cylinders per revolution of the rotor. During this same time, the engine shaft will make a half turn.
При четырехполупериодном роторе осуществляется четыре хода поршня, а в цилиндрах осуществится один четырехтактный цикл за один оборот ротора, а вал двигателя сделает один оборот.With a four-half-rotor, four piston strokes are performed, and in the cylinders one four-stroke cycle is performed per revolution of the rotor, and the engine shaft makes one revolution.
Основной характеристикой каждого двигателя является мощность. Мощность винтошарового двигателя определена по аналогичной методике, как и у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом, но с учетом показателя тактности данного двигателя.The main characteristic of each engine is power. The power of a rotary-ball engine is determined by a similar methodology as that of engines with a crank mechanism, but taking into account the tact ratio of this engine.
В числитель соотношения определения мощности двигателя введены величины - ход поршня и число оборотов вала. Но эти величины определяют среднюю скорость поршня С. Заменяя в этом соотношении величины - ход поршня и число оборотов вала на среднюю скорость поршня С и соответственно уточняя число в знаменателе, получим два соотношения в виде равенстваIn the numerator of the ratio for determining engine power, the values are entered - the piston stroke and the number of shaft revolutions. But these values determine the average speed of the piston C. Replacing in this ratio the values — the piston stroke and the number of shaft revolutions by the average piston speed C and, accordingly, specifying the number in the denominator, we obtain two relations in the form of equality
где F - площадь поршня, см2,where F is the piston area, cm 2 ,
Pe - среднее эффективное давление, кгс/см2,Pe is the average effective pressure, kgf / cm 2 ,
n - число цилиндров.n is the number of cylinders.
Во втором соотношении средняя скорость поршня и среднее эффективное давление являются основными величинами, определяющими мощность винтошарового двигателя, а их значения определены выше.In the second ratio, the average piston speed and the average effective pressure are the main values that determine the power of a rotary-ball engine, and their values are defined above.
Для сравнения качественной оценки привожу характеристику двигателя Ульяновского завода "Волжские моторы" типа УМЗ-249.10 и двух винтошаровых, которые приведены в таблице №2.To compare the qualitative assessment, I give the characteristics of the engine of the Ulyanovsk plant "Volga Motors" type UMZ-249.10 and two screw-ball engines, which are given in table No. 2.
2. Ход поршня, мм1. The diameter of the cylinder, mm
2. Piston stroke, mm
92one hundred
92
100one hundred
one hundred
Из приведенной таблицы видно, что при увеличении средней скорости поршня на 1,2 м/сек мощность увеличивается на 18,5 л.с.The table above shows that with an increase in the average piston speed of 1.2 m / s, the power increases by 18.5 hp.
На основании термодинамического расчета определено среднее индикаторное давление винтошарового двигателя, величина которого равна Р=15,426 кгс/см2.Based on the thermodynamic calculation, the average indicator pressure of the rotary-ball engine is determined, the value of which is P = 15.426 kgf / cm 2 .
Среднее эффективное давление определено по уравнениюThe average effective pressure is determined by the equation
Р=15,426×0,9469=14,61 кгс/см2.P = 15.426 × 0.9469 = 14.61 kgf / cm 2 .
Для улучшения экономичности винтошарового двигателя рабочий цикл осуществляется с продолжительным расширением, суть которого заключается в следующем. Номинальную степень сжатия увеличиваем на 1…2 единицы, а чтобы двигатель не детонировал, увеличиваем угол запаздывания закрытия впускного клапана 43. При этом часть заряда выталкивается из цилиндра в начале такта сжатия, в результате чего начало процесса сжатия заряда задерживается, т.е. уменьшается фактическая степень сжатия. Степень же расширения, от которой главным образом зависит экономичность, остается равной номинальной степени сжатия, т.е. большей по сравнению с фактической степенью сжатия.To improve the efficiency of a rotary-ball engine, the duty cycle is carried out with a continuous expansion, the essence of which is as follows. The nominal compression ratio is increased by 1 ... 2 units, and so that the engine does not detonate, we increase the angle of the closing delay of the
Чтобы компенсировать уменьшение заряда цилиндра, приходится соответственно увеличивать ход поршня. В данном двигателе увеличение хода поршня незначительно влияет на габариты двигателя.To compensate for the decrease in cylinder charge, it is necessary to increase the piston stroke accordingly. In this engine, an increase in the piston stroke slightly affects the dimensions of the engine.
Применение цикла удлиненного расширения как средство повышения экономичности у винтошаровых двигателей является целесообразным, т.к. снижается удельный расход топлива на 10-12% по сравнению с работой по обычному циклу.The use of the extended extension cycle as a means of increasing efficiency in rotary-ball engines is advisable, because specific fuel consumption is reduced by 10-12% compared with the usual cycle.
Степень совершенства конструкции винтошарового двигателя объясняется тем, что каждый цилиндр снабжен винтошаровым преобразующим движения механизмом. Одним из основных преимуществ этого механизма является то, что преобразование возвратно-поступательных движений во вращательные движения осуществляется при взаимодействии шаров 17 с винтодуговыми желобами ротора 6 и с желобами упорных вкладышей 19 с минимальными потерями мощности на преодоление трения.The degree of perfection of the design of a rotary-ball engine is explained by the fact that each cylinder is equipped with a rotary-motion-converting mechanism. One of the main advantages of this mechanism is that the conversion of the reciprocating movements into rotational movements is carried out by the interaction of the
Шариковые соединения качения /направляющие качения/, основными преимуществами которых являются: малое сопротивление движению, независимость этого сопротивления от скорости, незначительная разница между силами трения покоя и движения. Это позволяет обеспечить как быстрые, так и медленные равномерные движения, а также высокую точность установочных положений перемещающихся поршня относительно цилиндра, ротора относительно корпуса двигателя 2 и относительно приводного вала 7.Ball joints of rolling / rolling guides /, the main advantages of which are: low resistance to movement, independence of this resistance from speed, insignificant difference between the forces of rest friction and movement. This allows you to provide both fast and slow uniform movements, as well as high accuracy of the installation positions of the moving piston relative to the cylinder, the rotor relative to the
При точном и прямолинейном движении поршня относительно цилиндра обеспечивается надежная работа цилиндропоршневой группы и увеличивается моторесурс двигателя.With accurate and rectilinear movement of the piston relative to the cylinder, reliable operation of the piston-cylinder group is ensured and the engine's engine life is increased.
Вариант четырехточечного контакта шаров 17 с винтодуговыми желобами ротора и желобами упорных вкладышей. Профили этих желобов в поперечном сечении /по нормали/ - полуэллипсовидные с дорожками качения по боковым поверхностям, углы контакта равны 45° относительно перпендикуляра к оси ротора 6, проходящего через центр шара 17. Величина такого угла позволяет лучше контролировать размеры, уменьшить контактные напряжения между шарами и желобами при любых рабочих условиях, а в целом увеличивается срок службы механизма. Это подтверждается тем, что в процессе взаимодействия шаров 17 с желобами нагрузка, действующая на каждый шар, равнозначно распределяется на две силы.A variant of the four-point contact of the
Винтошаровые механизмы могут широко применяться и в двухтактных двигателях.Screw-ball mechanisms can be widely used in two-stroke engines.
Например, двухтактный двигатель, цилиндры которого снабжены винтошаровыми механизмами, а роторы их имеют шесть полупериодов движений каждый. За один оборот ротора осуществляется три двухтактных рабочих цикла. При четырех цилиндрах диаметром 100 мм и средней скорости поршня, равной 15 м/сек, мощность двигателя будет равна 459 л.с. или 337,5 кВт, а литровая 146,2 л.с./л или 107,5 кВт/л.For example, a two-stroke engine, the cylinders of which are equipped with screw-ball mechanisms, and their rotors have six half-periods of motion each. For one revolution of the rotor, three push-pull duty cycles are carried out. With four cylinders with a diameter of 100 mm and an average piston speed of 15 m / s, the engine power will be 459 hp. or 337.5 kW, and liter 146.2 hp / l or 107.5 kW / l.
Винтошаровые двигатели могут широко применяться на автомашинах, тракторах, танках, вертолетах, судах на подводных крыльях, на передвижных генераторах и в других транспортных средствах и областях техники, где первостепенное значение имеют простота и компактность конструкции, малая масса и минимальная вибрация.Rotary-screw engines can be widely used in cars, tractors, tanks, helicopters, hydrofoils, mobile generators and other vehicles and technical fields where simplicity and compactness, light weight and minimal vibration are of paramount importance.
Кроме того, с винтошаровым механизмом могут создаваться поршневые компрессоры и поршневые насосы различной мощности. В этих машинах вращательные движения преобразуются в прямолинейные возвратно-поступательные движения.In addition, piston compressors and piston pumps of various capacities can be created with a screw-ball mechanism. In these machines, rotational movements are converted into rectilinear reciprocating movements.
Уравнения, определения геометрических размеров, полупериодов движений и диаметров по делительной окружности содержатся в методике расчета винтошаровых двигателей.Equations, definitions of geometric dimensions, half-periods of movements and diameters along the pitch circle are contained in the method for calculating rotary-ball engines.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007116865/06A RU2347088C1 (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Screw ball four-cycle engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007116865/06A RU2347088C1 (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Screw ball four-cycle engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007116865A RU2007116865A (en) | 2008-11-10 |
RU2347088C1 true RU2347088C1 (en) | 2009-02-20 |
Family
ID=40531822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007116865/06A RU2347088C1 (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Screw ball four-cycle engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2347088C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460890C1 (en) * | 2011-07-12 | 2012-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" | Axial piston thermal engine |
RU2468225C2 (en) * | 2010-06-30 | 2012-11-27 | Андрей Леонидович Бобылев | Non-crank two-stroke internal combustion engine |
RU2500907C2 (en) * | 2011-06-21 | 2013-12-10 | Юрий Андреевич Гребнев | Internal combustion engine |
RU2509901C2 (en) * | 2011-09-20 | 2014-03-20 | Юрий Андреевич Гребнев | Method of ice cylinder supercharging and device to this end |
RU2551717C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) | Two-stroke axial piston thermal machine-engine |
RU2558490C1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-08-10 | Юрий Андреевич Гребнев | Internal combustion engine |
RU2564736C2 (en) * | 2013-05-20 | 2015-10-10 | Юрий Андреевич Гребнев | Internal combustion engine |
-
2007
- 2007-04-27 RU RU2007116865/06A patent/RU2347088C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2468225C2 (en) * | 2010-06-30 | 2012-11-27 | Андрей Леонидович Бобылев | Non-crank two-stroke internal combustion engine |
RU2500907C2 (en) * | 2011-06-21 | 2013-12-10 | Юрий Андреевич Гребнев | Internal combustion engine |
RU2460890C1 (en) * | 2011-07-12 | 2012-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" | Axial piston thermal engine |
RU2509901C2 (en) * | 2011-09-20 | 2014-03-20 | Юрий Андреевич Гребнев | Method of ice cylinder supercharging and device to this end |
RU2564736C2 (en) * | 2013-05-20 | 2015-10-10 | Юрий Андреевич Гребнев | Internal combustion engine |
RU2551717C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) | Two-stroke axial piston thermal machine-engine |
RU2558490C1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-08-10 | Юрий Андреевич Гребнев | Internal combustion engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007116865A (en) | 2008-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2347088C1 (en) | Screw ball four-cycle engine | |
US8375919B2 (en) | Motion translation mechanism | |
US7201133B2 (en) | Internal combustion engine having dual piston cylinders and linear drive arrangement | |
US6718938B2 (en) | Hinged rotor internal combustion engine | |
CN100429431C (en) | Power transmission mechanism with linear and rotation movement conversion | |
RU2423615C2 (en) | Internal combustion engine (versions) | |
WO1995013491A1 (en) | Internal combustion engine with improved cycle dynamics | |
RU2580191C1 (en) | Internal combustion engine | |
US9103333B2 (en) | Axial piston machines | |
US6435145B1 (en) | Internal combustion engine with drive shaft propelled by sliding motion | |
WO2009120715A1 (en) | Motion translation mechanism | |
RU2118472C1 (en) | Internal-combustion engine | |
JP4845989B2 (en) | engine | |
RU2182241C2 (en) | Crankless engine | |
US20080184963A1 (en) | Connecting rod free piston machine | |
RU141438U1 (en) | "NORMAS - MX-50" INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
RU122703U1 (en) | "NORMAS-MX-21" INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
Karhula | Cardan gear mechanism versus slider-crank mechanism in pumps and engines | |
RU2187673C1 (en) | Axial four-stroke engine | |
RU2341659C1 (en) | Sine-wave-rotor engine | |
KR101243655B1 (en) | Crank rotary piston engine | |
RU2131528C1 (en) | Internal combustion engine | |
US11828180B2 (en) | Piston cam drive | |
RU2211344C1 (en) | Axial engine | |
RU2203427C2 (en) | Axial-piston machine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120428 |