Роторный двигатель внутреннего сгорания: реальность и перспективы

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Вестник Брянского государственного технического университета. 2006. № 4 (12)

Роторный двигатель внутреннего сгорания: реальность и перспективы

И.В. Симуков

Рассмотрена конструкция нового роторного двигателя внутреннего сгорания, отличительные особенности которой (статор в форме окружности, двухвершинный ротор с радиальными уплотняющими элементами с увеличенной площадью рабочей поверхности) позволяют снизить токсичность, повысить КПД, экономичность, надежность и долговечность агрегата в целом.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), находясь под пристальным вниманием ученых, конструкторов и обычных людей уже более двухсот лет, становится неотъемлемой частью в производственной и повседневной деятельности человека. Потребность в ДВС заставляет думать о его модернизации, совершенствовании, создании альтернативных источников механической энергии.

Достойной альтернативой традиционным поршневым двигателям внутреннего сгорания, достигшим, по мнению многих специалистов, предела своего развития, являются роторно-поршневые двигатели (РПД), например РПД Ванкеля (рис. 1а).

В РПД Ванкеля ротор совершает планетарное движение в статоре эпитрохоидной формы, образуя изменяющиеся объемы рабочих камер. Таким образом, в двигателе появляется возможность избавиться от необходимости преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала [2].

Благодаря конструктивным особенностям ротопоршневой двигатель имеет следующие преимущества перед поршневыми ДВС:

· меньшее на 35…40 % число деталей;

· меньшие в 1,5...2 раза габаритные размеры;

· масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, ведь в нем отсутствуют коленчатый вал, шатуны, газораспределительный механизм;

· низкий уровень вибраций (РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность легких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров);

· отличные динамические характеристики.

Наряду с достоинствами РПД Ванкеля имеет и недостатки:

· эпитрохоидная форма статора;

· пластинчатые радиальные уплотнения в вершинах роторов;

· смешивание свежей рабочей смеси с отработанными газами и утечки в выпускной канал.

Сегодня идея РПД Ванкеля получила мировое признание, не реализовав в полном объеме своих возможностей, но определив направления для дальнейших творческих поисков оригинальных инженерных решений.

Рис. 1. Схемы роторных двигателей:

а - РПД Ф. Ванкеля (1957 г.) (форма статора - эпитрохоида, ротор-трехвершинный с уплотнительными пластинами в вершинах); б - роторный двигатель новой конструкции [1] (форма статора - окружность, ротор-двухвершинный с подпружиненными уплотняющими элементами в вершинах)

Одним из таких решений является роторный двигатель внутреннего сгорания [1] с вращающимся двухвершинным ротором и неподвижным статором, в сечении имеющим форму окружности (рис. 1 б, 3).

Новая конструкция роторного двигателя имеет ряд специфичных решений (рис. 1, 2, 4), дающих преимущества и перспективы в практическом применении по сравнению с аналогом (РПД Ванкеля).

Рис. 2. Работа подпружиненного штока с уплотняющим башмаком

1. Постоянство кривизны рабочей поверхности статора.

На рис. 1, 2 видно: статор, который в сечении имеет форму окружности радиуса R с центром на начальной окружности внутренней шестерни радиуса r = Ѕ R, позволяет избежать потери контакта радиальных уплотнений ротора с поверхностью рабочей полости, а следовательно, и повысить максимальное число оборотов ротора.

2. Высокая степень надежности и долговечности радиальных уплотнений рабочих камер.

Использование статора, имеющего в сечении окружность, дает возможность применить уплотняющие башмаки с большой площадью соприкосновения рабочих поверхностей («статор - уплотняющий элемент») (рис. 2), позволяя повышать давление в камерах с минимальными показателями утечек рабочей смеси.

3. Разделение потоков рабочей смеси и отработанных газов в рабочих камерах двигателя.

Двигатель может состоять из нескольких парных камер (на рис. 3 показана одна пара камер), в каждой из которых имеются камеры «впуск - сжатие», камеры «рабочий ход - выпуск». Такое разделение дает следующие преимущества:

- на стадиях «впуск» и «выпуск» отсутствует смешение и утечка свежего заряда с остаточными газами, так как эти процессы происходят в различных камерах (рис. 1);

- имеется возможность оптимально расположить впускные и выпускные окна, тем самым обеспечив оптимальную наполняемость свежим зарядом, и повысить максимальное давление с уменьшением температуры отработанных газов в выпускном коллекторе.

Сбалансированность РПД обеспечивается эксцентричными шестернями по обе стороны от ротора, совершающего планетарное движение. Таким образом, в двигателе вращаются лишь ротор и эксцентричные шестерни, а уравновешенная роторная кинематика позволяет получить широкий диапазон частот вращения выходного вала - 500...10 000 об/мин и более - при малых амплитудах вибрации.

Таким образом, потенциал нового двигателя определяется его конструкцией. Роторный двигатель содержит пары рабочих камер (рис. 3), замкнутые объемы которых образованы статором 1 и двухвершинными роторами 2, движущимися в неподвижных стенках и жестко связанными с подвижной шестерней внутреннего зацепления 3, обкатывающей внутреннюю неподвижную шестерню вдвое меньшего диаметра 4.

Рис. 3. Аксонометрия роторного двигателя внутреннего сгорания

Механизм передачи представляет собой отверстие в межкамерной стенке и канавки в стенках роторов 1 (рис. 4), примыкающих к неподвижной общей для пары камер стенке и соединяющихся с отверстием в ней при малом переменном объеме рабочих камер, и отверстия в средних частях роторов, соединяющих переменные объемы рабочих камер с канавками.

Закругленная вершина ротора выполнена подвижной и имеет в сечении вид поворотного уплотняющего башмака 8 с рабочей поверхностью в виде круговой дуги радиуса R, герметично поворачивающегося вокруг оси и упруго прижимающегося к стенке статора (рис. 2).

Места впуска свежего заряда в первой камере и выпуска сгоревшего заряда в другой расположены в местах касания соответствующих роторов со статорами, при тех положениях роторов, которые образуют минимальные объемы рабочих камер.

Подвижная шестерня эксцентрично размещена с возможностью поворота в концевых втулках 7, ось вращения которых совпадает с осью внутренней неподвижной шестерни, причем одна из втулок жестко связана с шестерней 6, передающей вращение на вал отбора мощности 5, а неподвижная шестерня на концах переходит в цилиндрические участки вала. На одной подвижной шестерне размещается несколько пар камер, статоры которых повернуты относительно друг друга на некоторый угол, внутренняя полость между шестернями использована для объема жидкости, охлаждающей двигатель.

Рис. 4. Каналы в роторе

роторный двигатель внутренний сгорание

Ротор камеры «рабочий ход - выпуск» имеет углубления с двух сторон для обеспечения заданной степени сжатия заряда.

Роторный двигатель новой конструкции сохраняет достоинства ротопоршневых двигателей и не имеет указанных недостатков РПД Ванкеля.

Детали нового роторного двигателя соединяются по соприкасающимся поверхностям, описанным по дуге окружности, что обеспечивает равномерное их истирание и способствует снижению токсичности, повышению КПД, экономичности, увеличению срока службы двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. №2242624 РФ, F01C19/02, 2004 .

2. Бениович, В.С. Ротопоршневые двигатели / В.С. Бениович, Г.Д. Апазиди, А.М. Бойко. - М.: Машиностроение, 1968. - 151 с.

Размещено на Allbest.ru