Роторно-поршневая машина с овальным вращающимся поршнем, направленно перемещающимся в овальной камере - RU2344296C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к роторно-поршневой машине, имеющей образованную в корпусе призматическую камеру, поперечное сечение которой образует овал, состоящий из чередующихся дуг окружностей меньшего и большего радиусов, и подвижно установленный в камере вращающийся поршень, поперечное сечение которого также образует овал, который состоит из таких же чередующихся дуг окружностей меньшего и большего радиусов и порядок которого отличается от порядка овала, образующего поперечное сечение камеры, причем вращающийся поршень вращается, попеременно поворачиваясь на следующих друг за другом участках движения вокруг разных осей вращения и проходя на каждом участке движения от одного крайнего положения до следующего, и во время своего вращения в любом положении прилегает к внутренней стенке камеры, образуя две рабочие полости, а также имеет проем, снабженный внутренними зубьями, которые находятся в зацеплении с зубчатым устройством для приведения поршня во вращение или для отвода от него мощности (съем мощности).

"Овал" в математике представляет собой неаналитическую, замкнутую плоскую выпуклую фигуру, составленную из дуг окружностей. Дуги окружностей непрерывно и дифференцируемо переходят одна в другую. В точках, в которых дуги окружности примыкают друг к другу, кривая непрерывна. В этих точках касательные к обеим примыкающим одна к другой дугам окружности совпадают друг с другом. Кривая является дифференцируемой. В точках, где дуги окружности примыкают одна к другой с различными радиусами кривизны, вторая производная - которая определяет кривизну - делает скачок. Овал состоит из чередующихся отрезков окружностей первого, меньшего, и второго, большего, радиусов кривизны. Порядок овала определяется числом пар отрезков окружности с первым и вторым радиусом кривизны. Овал второго порядка, или биовал, является "эллипсоподобным" с двумя диаметрально противоположными дугами окружности меньшего диаметра, соединенными двумя дугами окружности большего диаметра.

Роторно-поршневые машины вышеназванного типа известны.

В US 3967594 А и US 3006901 А показана роторно-поршневая машина с овальным поршнем в овальной камере. При этом поршень в поперечном сечении является биовальным. Этот биовальный поршень подвижно установлен в триовальной камере. В указанных известных роторно-поршневых машинах предусмотрены сложные механизмы для передачи вращательного движения вращающегося поршня на вал.

В DE 19920289 С1 также описана роторно-поршневая машина, у которой поперечное сечение образованной в корпусе призматической камеры является триовальным с непрерывно и дифференцируемо примыкающими друг к другу первой и второй дугами окружности попеременно меньшего радиуса кривизны и большего радиуса кривизны. В камере направленно перемещается вращающийся поршень с биовальным поперечным сечением. Биовальное поперечное сечение вращающегося поршня образовано чередующимися первой и второй дугами окружностей соответственно меньшего и большего радиусов кривизны триовального поперечного сечения камеры, также непрерывно и дифференцируемо примыкающими друг к другу. Биовальный вращающийся поршень выполняет в триовальной камере вышеописанные циклы движения со скачкообразным изменением осей вращения. Передача движения от вращающегося поршня происходит очень просто: вал проходит центрально через триовальную камеру, т.е. вдоль линии пересечения плоскостей симметрии камеры. На валу закреплена шестерня. Вращающийся поршень имеет овальный проем с внутренними зубьями или внутренним зубчатым венцом. Длинная ось в поперечном сечении проема проходит вдоль короткой оси биовального поперечного сечения вращающегося поршня. Шестерня находится в постоянном зацеплении с внутренними зубьями.

В известных роторно-поршневых машинах корпус образует призматическую камеру, поперечное сечение которой образует такой овал нечетного порядка, например овал третьего порядка. Камера образует чередующиеся цилиндрические участки внутренней стенки, имеющие первый, меньший, и второй, больший, радиусы кривизны. В таком овале третьего (пятого, седьмого и более высокого) порядка перемещается вращающийся поршень, который образует в поперечном сечении овал, порядок которого на единицу меньше, чем порядок овала камеры. Применяемый для вращающегося поршня овал - даже если он имеет более высокий порядок - обладает двойной симметрией, т.е. он зеркально симметричен относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Этот вращающийся поршень имеет два диаметрально противоположных цилиндрических участка боковой поверхности, радиус кривизны которых соответствует меньшему (первому) радиусу кривизны овала камеры. Если вращающийся поршень в поперечном сечении образует овал, то второй, больший радиус кривизны этого овала равен второму радиусу кривизны овала, образующего камеру. В определенном участке движения вращающийся поршень первым из этих цилиндрических участков боковой поверхности лежит на дополнительном для него цилиндрическом участке внутренней стенки камеры, который имеет одинаковый с ним меньший радиус кривизны. Вторым, диаметрально противоположным цилиндрическим участком боковой поверхности вращающийся поршень скользит по противоположному цилиндрическому участку боковой поверхности камеры, имеющему больший радиус кривизны. Таким образом, в камере вращающийся поршень образует две рабочие полости, одна из которых при повороте вращающегося поршня увеличивается в объеме, а другая уменьшается. Вращающийся поршень вращается при этом вокруг мгновенной оси вращения. Эта мгновенная ось вращения совпадает с осью первого цилиндрического участка боковой поверхности. Поэтому указанная мгновенная ось вращения имеет точно определенное положение относительно вращающегося поршня. Естественно, в этом участке движения мгновенная ось вращения соответствует также неподвижной относительно корпуса оси цилиндрического участка внутренней стенки меньшего радиуса кривизны, в котором поворачивается вращающийся поршень. Это вращение продолжается до тех пор, пока второй цилиндрический участок боковой поверхности вращающегося поршня не достигнет крайнего положения. В этом крайнем положении второй цилиндрический участок боковой поверхности находится на участке внутренней стенки меньшего диаметра, примыкающем к противоположному участку внутренней стенки большего диаметра.

Дальнейшее вращение вращающегося поршня вокруг прежнего мгновенного центра вращения невозможно. Поэтому мгновенная ось вращения скачком переходит для следующего участка движения в другое положение, а именно в положение оси второго цилиндрического участка боковой поверхности. Эта новая мгновенная ось вращения также находится в точно определенном положении относительно вращающегося поршня. В следующем участке движения она соответствует оси цилиндрического участка внутренней стенки, в котором теперь поворачивается второй цилиндрический участок боковой поверхности вращающегося поршня. "Первый" цилиндрический участок боковой поверхности в этом участке движения скользит снова по противоположному участку внутренней стенки большего радиуса кривизны.

В такой роторно-поршневой машине вращающийся поршень вращается всегда в одном и том же направлении, но попеременно поворачиваясь вокруг разных мгновенных осей вращения, причем после завершения каждого участка движения оси вращения скачкообразно сменяются - "прыгают". По отношению к вращающемуся поршню заданы две такие мгновенные оси вращения, а именно, они определены осями диаметрально противоположных друг другу цилиндрических участков боковой поверхности. По отношению к корпусу и образованной в нем камере мгновенная ось вращения прыгает между "углами" овала, т.е. осями цилиндрических участков внутренней стенки с меньшим радиусом кривизны.

На каждом участке движения объем одной рабочей полости увеличивается до максимального значения, в то время как объем другой рабочей полости соответственно уменьшается до минимального значения. В идеальном случае, когда вращающийся поршень также образует овал в поперечном сечении, объем рабочей полости увеличивается практически от нуля до максимального значения, соответственно уменьшается практически до нуля. Такая роторно-поршневая машина может быть выполнена в виде двухтактного или четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (с внутренним сгоранием) или в виде двигателя с внешним сгоранием, например, паровой машины. Но она может работать и в качестве пневматического двигателя, гидравлического двигателя или насоса.

В DE 19920289 С1 в камере, поперечное сечение которой образует овал третьего порядка, подвижно установлен вращающийся поршень, поперечное сечение которого образует овал второго порядка. Для отвода движения от вращающегося поршня служит единственный выходной вал, проходящий через камеру по центру. Выходной вал проходит сквозь проем вращающегося поршня и снабжен шестерней. Эта шестерня находится в зацеплении с зубьями на внутренней стороне проема.

В известных роторно-поршневых машинах порядок овала, определяющего камеру, на единицу больше, чем порядок овала, образующего поперечное сечение вращающегося поршня. Биовальный вращающийся поршень направленно перемещается в триовальной камере. При этом мгновенные оси вращения вращающегося поршня в крайних положениях прыгают относительно вращающегося поршня только между двумя положениями, относительно же корпуса они прыгают по меньшей мере между тремя положениями. Вращающийся поршень своим участком малого радиуса поступательно движется вдоль участка большого радиуса внутренней стенки камеры. Это может вызвать проблемы с уплотнением между рабочими полостями камеры. Еще одна проблема возникает оттого, что в каждом рабочем цикле роторно-поршневой машины последовательно образуется более двух рабочих полостей, которые кружат вдоль внутренней стенки корпуса.

Из LU 45663 А известна роторно-поршневая машина, имеющая образованную в корпусе призматическую камеру, поперечное сечение которой образует овал, состоящий из чередующихся дуг окружностей меньшего и большего радиусов, и подвижно установленный в камере вращающийся поршень, поперечное сечение которого также образует овал, который состоит из таких же чередующихся дуг окружностей меньшего и большего радиусов и порядок которого на единицу больше порядка овала, образующего поперечное сечение камеры. Вращающийся поршень, попеременно поворачиваясь на следующих друг за другом участках движения вокруг разных осей вращения, проходит на каждом участке движения от одного крайнего положения до следующего, при этом он в любом положении прилегает к внутренней стенке камеры. Вращающийся поршень также имеет проем, снабженный внутренними зубьями, которые находятся в зацеплении с зубчатым устройством для приведения поршня во вращение или отвода от него мощности. Это зубчатое устройство имеет пару установленных в корпусе валов, снабженных наружными зубчатыми венцами, находящимися в зацеплении с внутренними зубьями проема, причем на любом участке движения один из валов расположен в зоне участка проема с меньшим радиусом кривизны, а другой вал - в зоне участка с большим радиусом кривизны, и на следующих друг за другом участках движения валы меняются своими ролями.

Задачей изобретения является создание эффективного и конструктивно простого решения по уплотнению рабочих полостей, образующихся в подобной роторно-поршневой машине между корпусом и вращающимся поршнем.

Для решения этой задачи предложена роторно-поршневая машина, имеющая образованную в корпусе призматическую камеру, поперечное сечение которой образует овал, состоящий из чередующихся дуг окружностей меньшего и большего радиусов, и подвижно установленный в камере вращающийся поршень, поперечное сечение которого также образует овал, который состоит из таких же чередующихся дуг окружностей меньшего и большего радиусов и порядок которого на единицу больше порядка овала, образующего поперечное сечение камеры, причем: (а) вращающийся поршень способен вращаться, попеременно поворачиваясь на следующих друг за другом участках движения вокруг разных осей вращения и проходя на каждом участке движения от одного крайнего положения до следующего, и во время своего вращения в любом положении прилегает своей боковой поверхностью к внутренней стенке камеры, образуя две рабочие полости, а также имеет проем, снабженный внутренними зубьями, которые находятся в зацеплении с зубчатым устройством для приведения поршня во вращение или отвода от него мощности; (б) проем по существу математически подобен вращающемуся поршню, причем плоскости симметрии проема совпадают с плоскостями симметрии вращающегося поршня; и (в) зубчатое устройство имеет пару установленных в корпусе валов, снабженных наружными зубчатыми венцами, находящимися в зацеплении с внутренними зубьями проема, причем на любом участке движения один из валов расположен в зоне участка проема с меньшим радиусом кривизны, а другой вал - в зоне участка с большим радиусом кривизны, и на следующих друг за другом участках движения валы меняются своими ролями.

В предложенной роторно-поршневой машине во внутренней стенке камеры для образования уплотнения между рабочими полостями предусмотрены пары расположенных рядом друг с другом уплотнительных планок с вогнутыми цилиндрическими внутренними поверхностями, причем радиус кривизны одной внутренней поверхности соответствует меньшему радиусу кривизны боковой поверхности вращающегося поршня, а радиус кривизны другой уплотнительной поверхности соответствует большему радиусу кривизны боковой поверхности вращающегося поршня.

При этом для эффективного уплотнения достаточно предусмотреть лишь две пары уплотнительных поверхностей таких уплотнительных планок, которые целесообразно располагать диаметрально противоположно и симметрично относительно проходящей через оси валов плоскости симметрии корпуса. Это упрощает и удешевляет конструкцию в целом.

Предлагаемая в изобретении роторно-поршневая машина имеет в крайних положениях вращающегося поршня замкнутую кинематику с однозначным движением вращающегося поршня.

При осуществлении изобретения, когда, например, триовальный в поперечном сечении вращающийся поршень вращается в биовальной в поперечном сечении камере, достигается однозначное направленное движение вращающегося поршня в камере с образованием уплотненных относительно друг друга рабочих полостей. При этом вращение поршня происходит каждый раз вокруг одной из двух мгновенных осей вращения, которые в данном случае образованы установленными в корпусе валами. Оси вращения имеют зубчатые колеса или наружные зубчатые венцы, находящиеся в зацеплении с внутренними зубьями, или внутренним зубчатым венцом, по существу овального проема вращающегося поршня. Один из валов расположен в зоне меньшего радиуса кривизны овального проема, т.е., например, как бы в "углу" образующего проем "дугового треугольника". Другой вал находится в зацеплении с противолежащим участком внутреннего зубчатого венца, имеющим больший радиусом кривизны, т.е. как бы на противолежащей стороне дугового треугольника.

В роторно-поршневой машине с биовальной камерой и триовальным вращающимся поршнем вращающийся поршень в крайнем положении прилегает к внутренней стенке камеры двумя соседними участками большего радиуса кривизны и расположенным между ними участком меньшего радиуса кривизны. Когда вращающийся поршень занимает такое крайнее положение, в углу дугового треугольника оказывается и второй вал. После этого дальнейшее вращение вращающегося поршня в том же направлении происходит вокруг упомянутого первым вала. Таким образом, и в этом случае оси вращения "прыгают" при достижении крайнего положения. Однако эти прыжки совершаются между двумя неподвижными относительно корпуса осями, а именно между осями вращения обоих валов.

В общем случае действует следующее правило: при 2n-овальной камере направленно перемещающийся в ней вращающийся поршень имеет порядок 2n+1. Тогда в крайних положениях вращающийся поршень с n+1 "сторонами" прилегает с геометрическим замыканием к внутренней стенке камеры, в то время как соответствующие n "сторон" ограничивают ту рабочую полость, которая в этом случае обладает максимальной протяженностью. С противоположных сторон корпуса образуются две рабочие полости.

В крайнем положении кинематика вращающегося поршня в камере не замкнута. Вместо следующего вращательного движения может возникнуть, например, в результате впуска рабочей среды в рабочую полость минимального объема или в результате воспламенения горючей смеси, поперечная сила, приводящая к заклиниванию вращающегося поршня в камере. Для решения этой проблемы и получения замкнутой кинематики в одном из вариантов изобретения предусмотрены средства регулирования частоты вращения, которые при достижении крайнего положения позволяют принудительно устанавливать для того вала, наружный зубчатый венец которого на предыдущем участке движения находился в зацеплении с внутренними зубьями на участке большего радиуса кривизны, т.е. обкатывал этот участок, меньшую частоту вращения, чем для другого вала, вокруг оси которого вращающийся поршень вращался на предыдущем участке движения. Благодаря этому обеспечивается продолжение вращения вращающегося поршня предусмотренным образом вокруг вала, принудительно вращающегося с меньшей частотой вращения. Эту принудительно задаваемую частоту вращения требуется устанавливать всякий раз лишь кратковременно, пока вращающийся поршень, поворачиваясь, не выйдет из крайнего положения. Принудительно задавать частоту вращения можно путем притормаживания соответственно одного из двух установленных в корпусе валов, что является конструктивно несложной задачей. В частности, при достижении вращающимся поршнем крайнего положения средства регулирования частоты вращения позволяют временно притормаживать тот вал, наружный зубчатый венец которого на предыдущем участке движения обкатывал внутренние зубья на участке большего радиуса кривизны.

На одной стороне окружной участок вращающегося поршня вращается относительно медленно по окружному участку внутренней стенки камеры, имеющему больший радиус кривизны. Медленное движение уменьшает проблемы уплотнения. На противоположной стороне окружной участок вращающегося поршня с большим радиусом кривизны скользит по такому же окружному участку внутренней стенки. Это дает в результате большую площадь уплотнения.

Оба вала вращаются попеременно с меньшей и большей скоростью. С помощью дифференциала или механизма свободного хода может быть предусмотрена постоянная скорость вращения соединенного с обоими валами входного вала (приводного вала) или выходного вала (вала съема мощности).

В частном случае применения предлагаемой в изобретении роторно-поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания для предотвращения прохода фронтов пламени в рабочую полость устройство для впрыскивания топлива, в частности форсунка, может быть расположено в отдельной камере сгорания, примыкающей к рабочей полости, причем камера сгорания и устройство для впрыскивания топлива согласованы друг с другом таким образом, чтобы сгорание в основном происходило только в камере сгорания с обеспечением поступления в рабочую полость только расширяющихся газообразных продуктов сгорания.

Ниже изобретение подробнее поясняется на примере его осуществления со ссылкой на фигуры чертежей, на которых показано:

на фиг.1 - поперечный разрез роторно-поршневой машины с двумя валами, причем вращающийся поршень, поперечное сечение которого образует овал третьего порядка, установлен в камере, сечение которой представляет собой овал второго порядка,

на фиг.2 - изображение, подобное приведенному на фиг.1, с вращающимся поршнем в крайнем положении,

на фиг.3 - изображение, подобное приведенному на фиг.1, с вращающимся поршнем во время следующего участка движения,

на фиг.4 - поперечный разрез роторно-поршневой машины с двумя валами, причем вращающийся поршень, поперечное сечение которого образует овал пятого порядка, установлен в камере, сечение которой представляет собой овал четвертого порядка,

на фиг.4А - вариант устройства, показанного на фиг.4,

на фиг.5 - поперечный разрез роторно-поршневой машины с двумя валами, причем вращающийся поршень, поперечное сечение которого образует овал седьмого порядка, установлен в камере, сечение которой представляет собой овал шестого порядка,

на фиг.6 - схематическое изображение средств регулирования скорости вращения,

на фиг.7А - схематическое увеличенное изображение уплотнения в роторно-поршневой машине показанного на фиг.1-5 типа, причем уплотнение осуществлено между уплотнительной планкой и окружным участком вращающегося поршня с меньшим радиусом кривизны,

на фиг.7Б - схематическое увеличенное изображение уплотнения в роторно-поршневой машине показанного на фиг.1-5 типа, причем уплотнение осуществлено между уплотнительной планкой и окружным участком вращающегося поршня с большим радиусом кривизны.

на фиг.8 - элемент роторно-поршневой машины, показанной на фиг.4А, в увеличенном масштабе.

на фиг.8А - элемент роторно-поршневой машины, показанной на фиг.4А, в еще более увеличенном масштабе.

На фиг.1 позицией 10 обозначен корпус. В корпусе 10 образована камера 12. Поперечное сечение камеры 12 образует овал второго порядка или "биовал". Таким образом, поперечное сечение камеры 12 образовано двумя дугами 14 и 16 окружности сравнительно малого радиуса кривизны и двумя чередующимися с ними дугами 18 и 20 окружности сравнительно большого радиуса кривизны. Дуги окружности примыкают друг к другу непрерывно и дифференцируемо.

В камере 12 направленно перемещается вращающийся поршень 22. Поперечное сечение вращающегося поршня 22 образует овал третьего порядка или триовал. Периметр поперечного сечения состоит, таким образом, из трех пар дуг окружности, т.е. дуг 24, 26, 28 окружности относительно малого радиуса кривизны и соответственно дуг 30, 32, 34 окружности относительно большого радиуса кривизны. Дуги окружностей малого и большого радиуса кривизны также чередуются и непрерывно и дифференцируемо примыкают друг к другу. Малые радиусы кривизны вращающегося поршня 22 равны малым радиусам кривизны камеры 12, и точно так же большие радиусы кривизны вращающегося поршня 22 равны большим радиусам кривизны камеры 12. Поперечное сечение камеры 12 подобно эллипсу, хотя в строгом смысле оно не является эллипсом. Поперечное сечение вращающегося поршня 22 подобно дуговому треугольнику с закругленными углами.

Вращающийся поршень 22 имеет центральный проем 36. Поперечное сечение проема 36 также образует овал третьего порядка. Этот овал третьего порядка образован тремя дугами 38, 40 и 42 окружности относительно малого радиуса кривизны и тремя дугами 44, 46 и 48 окружности относительно большого радиуса кривизны. Дуги 38, 40 и 42 окружности малого радиуса кривизны и дуги 44, 46 и 48 окружности большого радиуса кривизны, чередуясь, непрерывно и дифференцируемо примыкают друг к другу таким образом, что образуется овал, подобный дуговому треугольнику с закругленными концами. Плоскости 50, 52 и 54 симметрии проема 36 совпадают с плоскостями симметрии вращающегося поршня 22.

Проем 36 имеет внутренние зубья 56. Эти внутренние зубья 56 образуют дугообразные вогнутые зубчатые рейки 58, 60 и 62, проходящие соответственно в основном вдоль дуг 44, 46, 48 окружности большого радиуса кривизны. Между этими вогнутыми зубчатыми рейками 58, 60 и 62 в зоне дуг малого радиуса кривизны предусмотрены дугообразные выпуклые (или также прямые) зубчатые рейки 64, 66 и 68.

Через проем 36 проходят два параллельных вала 70 и 72 с зубчатыми колесами, имеющими наружные зубчатые венцы соответственно 74 и 76. Оси валов 70 и 72 лежат в проходящей через дуги 18 и 20 окружностей плоскости 77 симметрии камеры 12. Зубчатое колесо одного вала (на фиг.1 колесо вала 70, имеющее зубчатый венец 74) находится в "углу дугового треугольника", т.е. в зоне дуги 38 окружности малого радиуса кривизны, и взаимодействует с внутренними зубьями 56, о чем подробнее будет сказано ниже. Зубчатое колесо другого вала (на фиг.1 колесо вала 72, имеющее наружный зубчатый венец 76) находится в зацеплении с противолежащей вогнутой зубчатой рейкой (на фиг.1 с зубчатой рейкой 60).

Вращающийся поршень 22 делит биовальную камеру 12 на две рабочие полости 80 и 82. На фиг.1 роторно-поршневая машина схематически изображена в качестве двигателя внутреннего сгорания. Соответственно, в каждой рабочей полости 80 и 82 имеется по одному впускному клапану, соответственно 84 и 86, и выпускному клапану, соответственно 88 и 90. Далее, к каждой рабочей полости 80, 82 примыкает соответствующая камера сгорания 92, 94 со свечой зажигания или форсункой 96, 98. Рабочие полости 80 и 82 с клапанами и свечами зажигания или форсунками расположены симметрично плоскости симметрии, проходящей через дуги 14 и 16 поперечного сечения с малым радиусом кривизны. Это только схематическое изображение.

В зонах дуг 18 и 20 больших радиусов кривизны на корпусе предусмотрены пары расположенных рядом друг с другом уплотнительных планок 100А и 100В, соответственно 102А и 102 В. При этом уплотнительные планки 100А и 100В, соответственно 102А и 102В симметричны относительно плоскости симметрии, проходящей через дуги 18 и 20 поперечного сечения с большим радиусом кривизны.

На фиг.7А показаны уплотнительные планки 100А и 100В, расположенные в одном месте, находящемся в зоне перехода от меньшего радиуса r₁ кривизны наружной поверхности вращающегося поршня 22 (на фиг.7А справа) к большему радиусу r₂ кривизны этой наружной поверхности (на фиг.7А слева). Уплотнительная планка 100А имеет вогнутую цилиндрическую внутреннюю поверхность, радиус кривизны которой соответствует большему радиусу r₂ кривизны. Уплотнительная планка 100В имеет вогнутую цилиндрическую внутреннюю поверхность, радиус кривизны которой соответствует меньшему радиусу r₁ кривизны. Очевидно, что внутренняя поверхность уплотнительной планки 100А плотно примыкает к дополнительной для нее наружной поверхности вращающегося поршня 22. В зоне, в которой радиус кривизны поверхности вращающегося поршня 22 меньше, а именно составляет r₁, между уплотнительной планкой 100А и вращающимся поршнем 22 и внутренней поверхностью уплотнительной планки 100А образуется клинообразная щель 100С. Уплотнительная планка 100В имеет вогнутую цилиндрическую внутреннюю поверхность, радиус кривизны которой соответствует меньшему радиусу r₁ кривизны. Очевидно, что внутренняя поверхность уплотнительной планки 100В в зоне радиуса r₁ кривизны вращающегося поршня 22 плотно примыкает к дополнительной для нее наружной поверхности вращающегося поршня 22. В зоне, в которой радиус кривизны поверхности вращающегося поршня 22 больше, а именно составляет r₂, между уплотнительной планкой 100В и вращающимся поршнем 22 и внутренней поверхностью уплотнительной планки 100А, на фиг.7А справа, образуется клинообразная щель 100D. В показанной переходной зоне обе уплотнительные планки расположены на части внутренней поверхности и прилегают плоскостью к наружной поверхности вращающегося поршня, что гарантирует образование контактного уплотнения.

На фиг.7Б аналогично показано уплотнение в зоне перехода от большого r₂ радиуса кривизны к меньшему радиусу r₁ кривизны. Если пара уплотнительных планок 100А и 100В прилегает только к участку вращающегося поршня 22 с большим радиусом кривизны или только к участку с малым радиусом кривизны, то либо уплотнительная планка 100А, либо уплотнительная планка 100В, прилегая к поршню всей своей внутренней поверхностью, гарантирует сопряжение соответствующих плоскостей и образование контактного уплотнения.

Описанное устройство работает следующим образом:

Вращающийся поршень 22 вращается против часовой стрелки на фиг.1. При этом вращающийся поршень 22 вращается вокруг вала 70 и скользит с небольшой скоростью по внутренней стенке камеры 12 на участке большого радиуса кривизны. Ось вала 70 проходит через центр кривизны дуги 24 окружности малого радиуса кривизны. Дуга 24 окружности касается дуги 18 окружности поперечного сечения камеры 12. Противолежащий, соответствующий дуге 32 окружности участок боковой поверхности вращающегося поршня 22 с большим радиусом кривизны прилегает к соответствующему дуге 20 окружности участку внутренней стенки камеры 12. Этот участок внутренней стенки имеет тот же радиус кривизны, что прилегающий участок боковой поверхности вращающегося поршня. Таким образом, имеет место сопряжение двух плоскостей соответствующей формы. При вращении этот участок боковой поверхности вращающегося поршня 22 скользит по соответствующему участку внутренней стенки.

При этом рабочая полость 80 увеличивается, в то время как рабочая полость 82 уменьшается. Вал 70 при этом вращается относительно медленно, в то время как вращение вала 72 получается относительно быстрым.

Движение продолжается, пока не будет достигнуто крайнее положение (на фиг.2 справа). Теперь соответствующий дуге 28 окружности участок боковой поверхности вращающегося поршня лежит на участке внутренней стенки камеры 12, который соответствует дуге 16 окружности. Оба участка имеют одинаковый, а именно малый, радиус кривизны. Участки боковой поверхности вращающегося поршня, соответствующие дугам 32 и 34 окружности большего радиуса кривизны, расположены на участках внутренней стенки камеры 12, которые соответствуют дугам 18, 20 поперечного сечения. И в этом случае радиусы кривизны одинаковы. Таким образом, объем рабочей полости 82, не считая камеры сгорания 94, уменьшается до нуля, тогда как объем рабочей полости 80 достигает максимального значения. В этом случае вал 72 с зубчатым колесом, имеющим наружный зубчатый венец 76, находится в проеме 36 на участке, который соответствует дуге 40 окружности, т.е. теперь до некоторой степени в левом "углу" дугового треугольника. Теперь вращающийся поршень 22 уже не может поворачиваться дальше вокруг оси вала 70 как мгновенной оси вращения.

Это положение изображено на фиг.2.

При дальнейшем вращении, которое происходит в результате воспламенения горючего в камере сгорания 94 в случае ДВС или в результате введения в рабочую полость 82 рабочего тела, мгновенная ось вращения скачком переходит на ось вала 72. Вращающийся поршень продолжает вращаться против часовой стрелки, но теперь уже вокруг вала 72.

После этого дальнейший процесс движения, в отношении к новой мгновенной оси вращения, происходит так же, как он был описан выше в отношении оси вала 70 в качестве мгновенной оси вращения.

При вращении вращающегося поршня 22 он проходит следующие друг за другом участки движения. Каждый участок движения проходит от одного из описанных крайних положений до следующего. На каждом участке движения рабочая полость, например 80, увеличивается в объеме от нуля до максимума, в то время как другая рабочая полость уменьшается от максимума до нуля. На следующем участке движения все происходит наоборот: рабочая полость 82 увеличивается от нуля (фиг.2) до максимума, в то время как рабочая полость 80 снова уменьшается (фиг.3).

В положении, показанном на фиг.2, кинематика не является однозначно определенной. Мгновенной осью вращения может стать ось каждого из двух валов. В этом случае, если в результате впуска в рабочую полость 82 рабочего тела на вращающийся поршень 22 подействует усилие влево, то это усилие, вместо того, чтобы поворачивать вращающийся поршень 22 вокруг мгновенной оси вращения, при определенных обстоятельствах может вызвать поступательное смещение в горизонтальном направлении на фиг.2. В результате вращающийся поршень 22 заклинился бы камере 12.

Если существует такая опасность, то предотвратить ее можно, если что в показанном на фиг.2 положении, используя средства регулирования частоты вращения, кратковременно заставить вал 72 вращаться с меньшей скоростью по сравнению с валом 70. Тогда вращающийся поршень 22 будет вынужден поворачиваться вокруг этого вала 72, в то время как другой вал 70 позволяет вогнутой зубчатой рейке 62 перекатываться по зубчатому колесу с наружным зубчатым венцом 74.

Это схематически изображено на фиг.6. Положение вращающегося поршня 22 в камере 12 определяют датчиками 140. Датчики выдают сигналы при достижении вращающимся поршнем крайнего положения. Блок 142 управления, получив сигналы датчиков, управляет устройствами 144 и 146, которые в зависимости от того, какое крайнее положение было достигнуто, попеременно устанавливают кратковременно скорости вращения соответствующих валов 70 и 72. Например, для вала 70 задается малая скорость вращения, а для вала 72 - более высокая, или наоборот. В простейшем случае устройства 144 и 146 могут быть тормозными устройствами, которые в крайних положениях попеременно кратковременно воздействуют на вал 70 или вал 72, в то время как соответствующий другой вал остается незаторможенным.

Радиусы делительных окружностей зубчатых колес по существу соответствуют малым радиусам кривизны овала второго порядка, образующего проем 36. Если бы внутренние зубья 56 непрерывно следовали овалу проема 36, тогда зубчатые колеса попадали бы в ловушку в соответствующих конечных положениях вращающегося поршня 22. "Углы" "дугового треугольника" не могли бы перекатываться через зубчатые колеса. По этой причине вогнутые зубчатые рейки соединены в зоне дуг 38, 40, 42 окружности малого диаметра короткими соответствующими прямыми или выпуклыми зубчатыми рейками 64, 66, 68. Выпукло-дугообразные зубчатые рейки 64, 66 и 68 обеспечивают возможность дальнейшего перекатывания внутренних зубьев 56 и тем самым вращающегося поршня 22 через эти участки. Они выполнены таких размеров, чтобы в крайних положениях одна из вогнутых зубчатых реек 58, 60 или 62 входила в зацепление с зубчатым венцом 74 или 76, непосредственно после того, как зубчатый венец 74 или 76 вышел из зацепления с соответственно предыдущей зубчатой рейкой 62, 58, 60. Таким образом, каждое зубчатое колесо постоянно находится в зацеплении с одной из дугообразных вогнутых зубчатых реек 64, 66 или 68. Короткие выпуклые или прямые зубчатые рейки гарантируют переход не только без разрыва геометрического замыкания, но и без блокировки движения.

На фиг.4 показана роторно-поршневая машина с камерой 104, поперечное сечение которой образует овал 106 четвертого порядка. В камере 104 направленно перемещается вращающийся поршень 108, поперечное сечение которого образует овал 110 пятого порядка. И в этом случае вращающийся поршень 108 имеет проем 112, форма которого образует овал 114 пятого порядка. Оси симметрии вращающегося поршня 108 и проема 112 совпадают. Проем 112 имеет внутренние зубья 116. Внутренние зубья 116 находятся в зацеплении с двумя зубчатыми колесами 118 и 120. Зубчатые колеса 118 и 120 посажены на соответствующие установленные в корпусе валы 122 и 124. Оси 126, 128 соответствующих валов 122, 124 лежат в плоскости симметрии камеры 104.

Вращающийся поршень 108 делит камеру на две рабочие полости 130 и 132, одна из которых при повороте вращающегося поршня увеличивается, а другая соответственно уменьшается.

Рабочий процесс аналогичен рабочему процессу, описанному при обсуждении варианта на фиг.1-3. Вращающийся поршень 108 вращается вокруг оси 126 вала 122 до достижения им крайнего положения. Затем мгновенная ось вращения перепрыгивает на ось 128 другого вала 124. Вращающийся поршень продолжает вращаться вокруг этой оси против часовой стрелки на фиг.4 до достижения им следующего крайнего положения. Этот процесс движения между двумя следующими друг за другом крайними положениями - это "участок движения". На каждом участке движения рабочая полость 130 увеличивается от нуля до максимума, а рабочая полость 132 уменьшается от максимума до нуля, и наоборот. Рабочие полости всегда лежат по обе стороны плоскости симметрии, содержащей оси 126 и 128 валов 122 и 124. Они не перемещаются по окружности камеры.

На фиг.4 для каждой рабочей полости (схематически) показаны клапаны и свечи зажигания или форсунки.

На фиг.4А показана роторно-поршневая машина, подобная изображенной на фиг.4. Соответствующие части обозначены теми же позициями, что и на фиг.4. Элементы роторно-поршневой машины, показанной на фиг.4А, представлены в увеличенном масштабе на фиг.8 и 8А.

У роторно-поршневой машины на фиг.4А позицией 150 обозначено устройство для впрыскивания топлива, выполненное в виде форсунки. Устройство 150 для впрыскивания топлива выступает в камеру 152 сгорания. Эта камера сгорания имеет такие размеры и выполнена таким образом, чтобы сгорание распыленного топлива происходило в основном только в камере сгорания. В расширяющуюся рабочую полость поступают только расширяющиеся газообразные продукты сгорания. При этом впрыскивание можно выполнять дозированно в зависимости от времени или фазы вращения вращающегося поршня так, чтобы оно соответствовало изменению объема рабочей полости 130 или 132. Тогда в рабочей полости не возникает фронт пламени. В известных роторно-поршневых машинах распространение фронта пламени в расширяющейся рабочей полости приводит к проблемам.

В варианте, изображенном на фиг.8 и 8А, камера сгорания 152 имеет полусферическую выемку 151 в корпусе, к которой примыкает выполненная в форме усеченного конуса полость 156, сужающаяся в сторону рабочей полости. Полость 156 образована во вставке 158, которая ввинчена в снабженную резьбой выемку в стенке рабочей полости 130 или 132. Камера 152 сгорания закрыта решеткой или сеткой 160. Устройство 150 для впрыскивания топлива оканчивается закругленным на конце конусом, причем впрыск осуществляется через сопловые отверстия в боковой стенке этого конуса.

Рассмотренное расположение форсунки в камере сгорания, при котором сгорание происходит в основном только в камере сгорания с предотвращением прохода фронтов пламени в рабочую полость, может быть использовано также в других машинах, например, в поршневых машинах с поступательно движущимися поршнями.

На фиг.5 показана роторно-поршневая машина, у которой вращающийся поршень, поперечное сечение которого образует овал седьмого порядка, направленно перемещается в камере, поперечное сечение которой образует овал шестого порядка. Конструкция и принцип действия, за исключением порядков овалов, аналогичны варианту, показанному на фиг.4. Соответствующие части обозначены теми же позициями, что и на фиг.4, однако с добавлением буквы "А".

Реферат

Изобретение относится к роторно-поршневой машине. Роторно-поршневая машина имеет в корпусе 10 призматическую камеру 12, поперечное сечение которой образует овал. В камере 12 перемещается вращающийся поршень 22, поперечное сечение которого также образует овал. Порядок овала вращающегося поршня 22 на единицу больше порядка овала камеры 12. Вращающийся поршень 22 способен вращаться, попеременно поворачиваясь на следующих друг за другом участках движения вокруг разных осей вращения. Вращающийся поршень 22 в любом положении прилегает своей боковой поверхностью к внутренней стенке камеры 12, образуя две рабочие полости 80, 82. Вращающийся поршень 22 выполнен с проемом 36, снабженным внутренними зубьями 56, которые находятся в зацеплении с зубчатым устройством. Зубчатое устройство имеет пару установленных в корпусе валов 70, 72, снабженных наружными зубчатыми венцами 74, 76. Во внутренней стенке камеры для образования уплотнения между рабочими полостями предусмотрены пары расположенных рядом друг с другом уплотнительных планок с вогнутыми цилиндрическими внутренними поверхностями. Радиус кривизны одной внутренней поверхности соответствует меньшему радиусу кривизны боковой поверхности вращающегося поршня 22. Радиус кривизны другой уплотнительной поверхности соответствует большему радиусу кривизны боковой поверхности вращающегося поршня 22. Техническим результатом является создание уплотнения между корпусом и вращающимся поршнем. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула