RU2418180C1

RU2418180C1 - Rotary engine and cam shaft

Info

Publication number: RU2418180C1
Application number: RU2009133121/06A
Authority: RU
Inventors: Виталий Анатольевич Буравецкий (RU); Виталий Анатольевич Буравецкий
Original assignee: Виталий Анатольевич Буравецкий
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-05-10
Also published as: RU2009133121A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed engine comprises housing with working chamber made up of a cylinder with oval (epitrochoidal) side surface. Cam shaft is arranged along working chamber axis. Rotor represents triangular prism with cylindrical mounting space mage along chamber axis to receive camshaft cam. Rotor is fitted in said working chamber on camshaft cam to run thereon. With camshaft running, transfer mechanism allows continuous sliding of rotor prism three edges, parallel to rotor axis and provided with sealing elements, along epitrochoidal surface to produce three variable-volume combustion chambers and allow "three-to-one" ratio between rotor revolution period and camshaft revolution period. One of transfer mechanism elements is fixed relative to rotor while another one is fixed relative to housing.

EFFECT: reduced toxicity of exhaust gases, longer life, higher power and efficiency.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретения относятся к области роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые часто называют роторными двигателями внутреннего сгорания (для краткости - роторные двигатели) или двигателями Ванкеля (см., например, «Советский Энциклопедический Словарь», Москва, 1987, с.193). Более точно, предлагаемый роторный двигатель относится к разновидности роторных двигателей, рабочая полость которых имеет в сечении овал либо близкую к овалу фигуру в виде контура цветка с двумя «лепестками», ротор в форме призмы имеет три одинаковых рабочих поверхности (грани), а предлагаемый эксцентриковый вал предназначен для использования в предлагаемом роторном двигателе, и, соответственно, относится к эксцентриковым валам (т.е. к передаточным валам, снабженным эксцентриками), предназначенным для использования в роторных двигателях.The invention relates to the field of rotary piston internal combustion engines, which are often called rotary internal combustion engines (for short - rotary engines) or Wankel engines (see, for example, “Soviet Encyclopedic Dictionary”, Moscow, 1987, p. 193). More precisely, the proposed rotary engine refers to a variety of rotary engines, the working cavity of which has an oval or close to oval shape in the form of a flower contour with two "petals", the prism-shaped rotor has three identical working surfaces (faces), and the proposed eccentric the shaft is intended for use in the proposed rotary engine, and, accordingly, relates to eccentric shafts (i.e., transmission shafts equipped with eccentrics) intended for use in rotary engines x

Особенность двигателей Ванкеля заключается в том, что многогранный ротор, связанный с эксцентриковым валом (аналогом коленчатого вала) и выполняющий функцию, аналогичную функции поршня шатунно-поршневых двигателей, при движении циклически описывает своими ребрами, разделяющими рабочие поверхности, так называемую эпитрохоидальную поверхность. При этом каждая грань ротора и ближайший к ней участок внутренней овальной поверхности рабочей полости корпуса вместе с торцовыми поверхностями рабочей полости образуют замкнутую полость - рабочую камеру - переменного объема, в которой попеременно совершаются две стадии расширения и две стадии сжатия за один полный оборот ротора, что соответствует известному четырехтактному циклу работы шатунно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Для поддержания герметичности рабочих камер установлены уплотнительные элементы, в частности, в ребрах призмы ротора. Цикличность движения ротора обеспечивается передаточным механизмом, выполненным, например, в виде пары шестерен, большая из которых, закрепленная на роторе, имеет внутреннее расположение зубьев и обкатывается вокруг меньшей шестерни, закрепленной на корпусе двигателя коаксиально с эксцентриковым валом. Возможен выбор такого передаточного числа этого механизма, что каждая точка ротора за время одного оборота ротора вокруг своей оси описывает целое число k сегментов известной в геометрии кривой линии - эпитрохоиды. По эпитрохоиде, циклически описываемой вершинами правильного (k+1)-угольного многоугольника, можно построить цилиндрическую эпитрохоидальную поверхность. Эта поверхность, или близкая к ней поверхность, выбирается в качестве криволинейной внутренней поверхности рабочей полости двигателя Ванкеля, а сам этот упомянутый многоугольник выбирается в качестве основания призмы, в форме которой выполняется ротор для этого двигателя. Плоские параллельные друг другу внутренние поверхности рабочей полости образуются торцовыми участками корпуса двигателя, например крышками. Подробно взаимосвязь геометрических параметров роторного двигателя раскрывается, например, в описании к патенту US 2988065, F01C 1/00, 1961.06.13 и в описании к патенту GB 583035, F01C 1/00, 1946.12.05. Для двигателей с трехгранным ротором (к числу которых относятся предлагаемый двигатель и аналогичные двигатели, упомянутые далее в настоящем описании) в зависимости от соотношения геометрических параметров, в частности, эксцентриситета эксцентрика вала и характерного размера в поперечном сечении ротора, эпитрохоида может иметь форму всюду выпуклого овала либо овала, «передавленного» по меньшему диаметру («двухлепестковый цветок»), а соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала составляет «три к одному» и обеспечивается вышеупомянутым передаточным механизмом. Эксцентриковый вал, применяемый в роторных двигателях внутреннего сгорания, может применяться и в других типах устройств, в частности в роторных насосах. Как правило, эксцентрик выполняется в форме цилиндра (здесь и далее в тексте цилиндр считается круговым, т.е. имеющим поперечное сечение в виде круга, если не оговорено иное), но известны исключения. Помимо упомянутых деталей (корпус с рабочей полостью, торцовые крышки, ротор с уплотнительными элементами, эксцентриковый вал, передаточный механизм) двигатели, к числу которых принадлежит предлагаемое устройство, снабжены системами зажигания, подачи топлива, воздуха, отвода продуктов сгорания, смазки, охлаждения и другими системами, которые не рассматриваются в настоящем описании предлагаемых изобретений. Грани ротора могут быть выполнены выпуклыми, плоскими или вогнутыми. Для простоты в настоящем описании рассматриваются двигатели с одним ротором, но суть изобретения распространяется также на двигатели с несколькими роторами на общем эксцентриковом валу, снабженном соответствующим количеством эксцентриков.A feature of Wankel engines is that the multifaceted rotor associated with the eccentric shaft (an analog of the crankshaft) and performs a function similar to the piston of a connecting rod-piston engine, cyclically describes with its ribs separating the working surfaces, the so-called epitrochoidal surface. Moreover, each face of the rotor and the closest portion of the inner oval surface of the working cavity of the housing together with the end surfaces of the working cavity form a closed cavity - a working chamber - of variable volume, in which two stages of expansion and two stages of compression are performed alternately for one full revolution of the rotor, which corresponds to the well-known four-stroke cycle of the connecting rod-piston internal combustion engine. To maintain the tightness of the working chambers, sealing elements are installed, in particular, in the ribs of the rotor prism. The cyclical movement of the rotor is provided by a transmission mechanism, made, for example, in the form of a pair of gears, the largest of which, mounted on the rotor, has an internal tooth arrangement and runs around a smaller gear mounted on the motor housing coaxially with an eccentric shaft. It is possible to select such a gear ratio of this mechanism that each point of the rotor during one revolution of the rotor around its axis describes an integer k of segments of the epitrochoid known in the geometry of the curved line. Using the epitrochoid cyclically described by the vertices of a regular (k + 1) -gonal polygon, it is possible to construct a cylindrical epitrochoid surface. This surface, or a surface close to it, is selected as the curved inner surface of the working cavity of the Wankel engine, and this polygon itself is selected as the base of the prism in the form of which the rotor is made for this engine. Flat inner surfaces of the working cavity parallel to each other are formed by end sections of the engine housing, for example, covers. The detailed relationship between the geometric parameters of a rotary engine is disclosed, for example, in the description of US Pat. No. 2,988,065, F01C 1/00, 1961.06.13 and GB 583035, F01C 1/00, 1946.12.05. For engines with a trihedral rotor (which include the proposed engine and similar engines mentioned later in the present description), depending on the ratio of geometric parameters, in particular, the eccentricity of the shaft eccentric and the characteristic size in the cross section of the rotor, the epitrochoid can have the form of an everywhere convex oval or an oval “transmitted” along a smaller diameter (“two-leaf flower”), and the ratio of the periods of rotation of the rotor around its axis and the rotation of the eccentric shaft is “three to one ”and is provided by the aforementioned transmission mechanism. The eccentric shaft used in rotary internal combustion engines can be used in other types of devices, in particular in rotary pumps. As a rule, the eccentric is made in the form of a cylinder (hereinafter in the text the cylinder is considered circular, i.e. having a cross section in the form of a circle, unless otherwise specified), but exceptions are known. In addition to the mentioned parts (housing with a working cavity, end caps, rotor with sealing elements, an eccentric shaft, transmission gear), the engines of which the proposed device is equipped with ignition, fuel, air, exhaust products of combustion, lubrication, cooling and others systems that are not considered in the present description of the proposed invention. The faces of the rotor can be made convex, flat or concave. For simplicity, single rotor motors are described herein, but the invention also extends to multiple rotor motors on a common eccentric shaft equipped with an appropriate number of eccentrics.

Известен роторный двигатель по описанию к патенту US 3963387 (МПК-7: F01C 1/02; F04C 17/02; F16H 55/00, опубл. 1976.06.15). Ротор в форме трехгранной призмы снабжен по своей оси цилиндрической полостью. В этой цилиндрической полости расположен цилиндрический эксцентрик эксцентрикового вала, на который ротор опирается через подшипник скольжения. Эксцентрик расположен внутри подшипника с минимальным зазором, который необходим для предотвращения заклинивания эксцентрика в роторе из-за неравномерных температурных деформаций разных материалов, из которых изготовлены ротор, подшипник и эксцентрик, при эксплуатации двигателя. В техническом решении этого двигателя предусмотрен механизм сохранения коаксиальности ротора и эксцентрика при температурных деформациях благодаря оригинальной конструкции закрепления подшипника в роторе. Такое решение позволяет уменьшить зазор, и тем самым уменьшить смещение ротора в момент воспламенения и начала расширения горючей смеси. Все-таки, хотя и в уменьшенной степени, в этом двигателе сохраняется известный недостаток роторных двигателей: из-за смещения ротора резко возрастает нагрузка на уплотнительный элемент, расположенный на ребре ротора, противоположном грани ротора, испытывающей давление расширяющихся газов. Это ведет к ускоренному износу уплотнительных элементов, к увеличению перетекания газов между смежными камерами, из-за чего снижаются мощность двигателя и полнота сгорания топлива, повышается токсичность отработанных газов.Known rotary engine according to the description of patent US 3963387 (IPC-7: F01C 1/02; F04C 17/02; F16H 55/00, publ. 1976.06.15). The rotor in the form of a trihedral prism is provided along its axis with a cylindrical cavity. In this cylindrical cavity there is a cylindrical eccentric of the eccentric shaft, on which the rotor rests through a sliding bearing. The eccentric is located inside the bearing with the minimum clearance necessary to prevent the eccentric from jamming in the rotor due to uneven temperature deformations of different materials of which the rotor, bearing and eccentric are made during engine operation. The technical solution of this engine provides a mechanism for maintaining the coaxiality of the rotor and the eccentric during temperature deformations due to the original design of the bearing in the rotor. This solution allows to reduce the gap, and thereby reduce the displacement of the rotor at the time of ignition and the beginning of the expansion of the combustible mixture. Nevertheless, although to a reduced extent, this engine retains a well-known drawback of rotary engines: due to the displacement of the rotor, the load on the sealing element located on the edge of the rotor opposite the face of the rotor under pressure of expanding gases increases sharply. This leads to accelerated wear of the sealing elements, to an increase in the flow of gases between adjacent chambers, which reduces engine power and completeness of fuel combustion, and increases the toxicity of exhaust gases.

Известен роторный двигатель, наиболее близкий к предлагаемому решению, из описания изобретения «РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» к патенту SU 131592 (класс 46а⁵, 1, заявл. 1960.03.07 за №657584/27). Двигатель состоит из корпуса с ограниченной с двух сторон торцами корпуса рабочей полостью овального поперечного сечения, из ротора в виде призмы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника с выпуклыми сторонами, из неподвижно закрепленной на центре одного из торцов корпуса шестерни, из венца внутреннего зацепления, «заделанного в ротор», из эксцентрикового вала с эксцентриком цилиндрической формы. Кинематическая связь вала с ротором осуществляется при помощи эпициклического зубчатого передаточного механизма с передаточным отношением 3:2 и эксцентрика. При вращении ротора его ребра описывают криволинейную эптрохоидальную поверхность. Двигатель снабжен оригинальной системой уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, обеспечивающей радиальную подвижность подпружиненных уплотнительных элементов в пазах, выполненных в ребрах ротора, благодаря чему несколько уменьшается разрушительная нагрузка на эти уплотнительные элементы в момент воспламенения горючей смеси и смещения ротора в пределах зазора его посадки на эксцентрик вала. Недостатком этого двигателя является сложность оригинальной системы уплотнения зазоров между ребрами ротора и внутренней поверхностью рабочей полости, и недостаточное снижение нагрузки на уплотнительные элементы. Одной из причин этого недостатка является широко известная и типичная для известных роторных двигателей конструкция эксцентрикового вала этого двигателя. Цилиндрическая форма эксцентрика не обеспечивает корректировки движения ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Подпружиненный уплотнительный элемент со временем ослабевает, более сильная пружина приводит к преждевременному износу уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадиях сжатия и расширения горючей смеси, снижается экономичность.Known rotary engine, the closest to the proposed solution, from the description of the invention "ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE" to patent SU 131592 (class 46a ⁵ , 1, application. 1960.03.07 No. 657584/27). The engine consists of a housing with a working cavity of oval cross-section limited on both sides of the housing, of a rotor in the form of a prism with a cross section in the form of an equilateral triangle with convex sides, of a gear fixedly mounted on the center of one of the ends of the gear housing, of an internal gearing crown, " embedded in the rotor ”, from an eccentric shaft with an eccentric of cylindrical shape. The kinematic connection of the shaft with the rotor is carried out using an epicyclic gear transmission mechanism with a gear ratio of 3: 2 and an eccentric. When the rotor rotates, its ribs describe a curved ectrochoidal surface. The engine is equipped with an original system of sealing the gaps between the rotor ribs and the inner surface of the working cavity, which ensures radial mobility of the spring-loaded sealing elements in the grooves made in the rotor ribs, due to which the destructive load on these sealing elements slightly decreases when the combustible mixture ignites and the rotor moves within the gap its landing on the cam shaft. The disadvantage of this engine is the complexity of the original system of sealing gaps between the ribs of the rotor and the inner surface of the working cavity, and insufficient reduction of the load on the sealing elements. One of the reasons for this drawback is the design of the eccentric shaft of this engine, which is widely known and typical of known rotary engines. The cylindrical shape of the eccentric does not provide adjustment of the rotor movement at the moment of ignition of the combustible mixture in order to reduce the load on the sealing element of the rotor rib. At the moment of detonation of the combustible mixture, the gas pressure sharply presses the opposite edge of the rotor to the surface of the working cavity of the engine housing. This pressing force simultaneously accelerates the movement of the rotor rib along the surface of the working cavity. At this moment, intensive wear of the sealing element occurs. The spring-loaded sealing element weakens over time, a stronger spring leads to premature wear of the sealing element. Due to intensive wear over time, the tightness of the seal worsens, gas flows between the working chambers occur, the toxicity of the exhaust increases due to incomplete combustion of the fuel, the power decreases due to pressure losses in the stages of compression and expansion of the combustible mixture, and the economy decreases.

Задачи, на решение которых направлены предлагаемые изобретения, состоят в увеличении срока эксплуатации роторного двигателя, в снижении токсичности выхлопных газов, в снижении расхода топлива и в повышении мощности роторного двигателя.The tasks to which the invention is directed are to increase the life of the rotary engine, to reduce the toxicity of exhaust gases, to reduce fuel consumption and to increase the power of the rotary engine.

Указанные задачи решаются тем, что роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненной в виде цилиндра с овальной (эпитрохоидальной) боковой поверхностью, также содержащий расположенный по оси рабочей полости эксцентриковый вал, также содержащий ротор в виде треугольной призмы (с высотой, равной высоте рабочей полости), по оси которой выполнена цилиндрическая посадочная полость под эксцентрик эксцентрикового вала, при этом ротор установлен в рабочей полости на эксцентрике эксцентрикового вала с возможностью вращения, также содержащий передаточный механизм, один из элементов которого неподвижен относительно ротора, а другой неподвижен относительно корпуса, обеспечивающий при вращении эксцентрикового вала непрерывное скольжение трех ребер призмы ротора, параллельных оси ротора и снабженных уплотнительными элементами, по овальной (эпитрохоидальной) поверхности рабочей полости с образованием трех рабочих камер переменного во времени объема и обеспечивающий соотношение периодов оборота ротора вокруг своей оси и оборота эксцентрикового вала «три к одному», дополнительно характеризуется тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен несколько превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, настолько чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.These problems are solved in that the rotary engine, comprising a housing with a working cavity made in the form of a cylinder with an oval (epitrochoidal) side surface, also containing an eccentric shaft located along the axis of the working cavity, also contains a rotor in the form of a triangular prism (with a height equal to the height working cavity), along the axis of which a cylindrical landing cavity is made under the eccentric of the eccentric shaft, while the rotor is mounted in the working cavity on the eccentric of the eccentric shaft with the possibility of rotation, also containing a transmission mechanism, one of the elements of which is stationary relative to the rotor, and the other is stationary relative to the housing, which ensures the continuous sliding of three ribs of the rotor prism parallel to the rotor axis and provided with sealing elements along the oval (epitrochoidal) surface of the working cavity when the eccentric shaft rotates working chambers of variable volume over time and providing a ratio of the periods of rotation of the rotor around its axis and the rotation of the eccentric shaft "three to one, ”is additionally characterized by the fact that the eccentric shaft is made in the form of a cam shaft for cam followers, the eccentric of the eccentric shaft is respectively made in the form of a cam, and the diameter of the rotor mounting cavity is slightly larger than the maximum diameter of the eccentric of the eccentric shaft so as to provide free (not tight) landing of a rotor on an eccentric of an eccentric shaft.

Корпус двигателя содержит две торцовые крышки, одна или обе из которых могут быть съемными. Торцовые крышки корпуса с внутренней стороны имеют плоские участки, перпендикулярные оси эпитрохоидальной цилиндрической полости. В центральной части по меньшей мере одной торцовой крышки выполнено отверстие под установку эксцентрикового вала. В центральной части другой торцовой крышки выполнено либо отверстие под установку эксцентрикового вала, либо установлено приспособление для крепления эксцентрикового вала. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются точки локального максимума кривизны - опорные точки. Свободная (неплотная) посадка ротора на эксцентрик в форме кулачка предполагает, что в положении, когда часть поверхности посадочной полости ротора прижата к опорной точке кулачка, ротор может совершать минимальное (допустимое) качание на опорной точке, при этом диаметрально противоположная часть поверхности посадочной полости ротора может свободно проскальзывать по той части поверхности кулачка, которая диаметрально противоположна опорной точке. Минимальность допустимого качания (поворота вокруг опорной точки) означает, что при таком движении возможная дополнительная деформация каждого уплотнительного элемента является допустимой, неразрушающей, т.е. степень превышения диаметра внутренней полости ротора над максимальным диаметром кулачка должна выбираться в зависимости от параметров используемых уплотнительных элементов.The motor housing contains two end caps, one or both of which can be removable. The end caps of the housing on the inside have flat sections perpendicular to the axis of the epitrochoidal cylindrical cavity. An opening is made in the central part of the at least one end cover for mounting the eccentric shaft. In the central part of the other end cover, either a hole is made for the installation of an eccentric shaft, or a fixture for mounting the eccentric shaft is installed. The implementation of the eccentric shaft in the form of a cam shaft for cam followers (for example, those that serve for intermittent conversion of rotational motion into translational motion) involves rigidly securing the eccentric to the shaft or performing the eccentric in one piece with the shaft. The execution of the cam in the form of a cam suggests that the profile of the cam has a variable curvature, while on the working part of the cam, i.e. on the profile section farthest from the axis of the eccentric shaft, there are points of local maximum curvature - reference points. A loose (loose) landing of the rotor on a cam-shaped eccentric assumes that in a position where a part of the surface of the rotor seating cavity is pressed against the cam reference point, the rotor can perform minimal (permissible) swing at the reference point, while the diametrically opposite part of the rotor landing cavity surface is can freely slip over that part of the cam surface that is diametrically opposed to the reference point. The minimum permissible swing (rotation around the reference point) means that with this movement, the possible additional deformation of each sealing element is permissible, non-destructive, i.e. the degree of excess of the diameter of the inner cavity of the rotor over the maximum diameter of the cam should be selected depending on the parameters of the used sealing elements.

Предлагаемый роторный двигатель отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, а диаметр посадочной полости ротора выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик эксцентрикового вала.The proposed rotary engine differs from the closest analogue and from other known analogues in that the eccentric shaft is made in the form of a cam shaft for cam followers, the eccentric cam is respectively made in the form of a cam, and the diameter of the rotor mounting cavity is larger than the maximum diameter of the eccentric shaft, so as to provide free (not tight) landing of the rotor on the eccentric of the eccentric shaft.

Преимущества предлагаемого решения проявляются при работе двигателя. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на опорную точку кулачка. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:The advantages of the proposed solution are manifested during engine operation. At the moment of ignition in the working chamber of the combustible mixture, the gas pressure is transmitted through the rotor not to the point of contact of the rotor rib opposite this chamber with the surface of the working cavity, but partially to the reference point of the cam. In this case, the cam, turning together with the shaft, presses the rotor against the gas pressure and presses sealing elements to the surface of the working cavity, which limit this working chamber front and rear (counting along the sliding edges of the rotor). Thus, several results are achieved:

снижается износ уплотнительного элемента, противоположного этой рабочей камере, в момент воспламенения горючей смеси;the wear of the sealing element opposite to this working chamber is reduced at the moment of ignition of the combustible mixture;

снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачиваются мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;toxicity of exhaust gases is reduced, since fuel is burned in the same working chamber, and products of incomplete combustion do not seep past the sealing element into that neighboring working chamber, which enters the exhaust stage;

повышается мощность, во-первых, благодаря исключению утечек горючей смеси на стадии воспламенения и расширения, и, во-вторых, благодаря исключению загрязнения продуктами сгорания той соседней камеры, которая входит в стадию сжатия горючей смеси;increased power, firstly, due to the elimination of leaks of the combustible mixture at the stage of ignition and expansion, and, secondly, due to the elimination of contamination by the combustion products of the neighboring chamber, which is included in the stage of compression of the combustible mixture;

повышается экономичность благодаря исключению потерь топлива с утечками горючей смеси.increased efficiency by eliminating fuel losses with leaks of the combustible mixture.

Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемого изобретения.The achievement of the above results is a confirmation of the solution of the above objectives of the invention.

Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию изобретения к патенту BG 61405 (МПК-7: F02B 57/00, опубл. 1997.07.31). Двигатель состоит из корпуса с внутренней рабочей полостью с поперечным сечением овальной формы, в которую помещен ротор в виде трехгранной призмы с выпуклыми гранями, имеющий по своей оси цилиндрическую полость и связанный этой полостью с эксцентриковым валом. Эксцентрик эксцентрикового вала расположен в цилиндрической полости ротора с возможностью вращения ротора. Ребра ротора снабжены уплотнительными элементами. Вал характеризуется тем, что его эксцентрик выполнен в форме, отличающейся от цилиндрической тем, что на его поверхности выполнены две продольных выемки таким образом, что его поперечное сечение ограничено кривой линией, образованной находящимися напротив друг друга двумя неравными по длине дугами одной окружности, соединенными между собой двумя линиями, изогнутыми внутрь окружности. Толщина эксцентрика вдоль оси равна длине цилиндрической полости ротора. Эксцентрик может быть выполнен либо заодно с валом, либо как отдельная деталь, жестко закрепленная на валу. Техническими результатами такого решения эксцентрикового вала можно признать лишь уменьшение расхода материала на изготовление эксцентрика и улучшенную сбалансированность масс относительно оси вращения вала. Недостаток этого решения состоит в том, что ротор двигателя, оснащенного таким эксцентриковым валом, в момент воспламенения горючей смеси резко смещается, при этом происходит увеличение нагрузки на уплотнительный элемент, установленный в ребре ротора, противоположном грани, испытывающей давление воспламеняющейся смеси, усиливается износ уплотнительного элемента в этот момент времени.Known eccentric shaft for a rotary engine according to the description of the invention to patent BG 61405 (IPC-7: F02B 57/00, publ. 1997.07.31). The engine consists of a housing with an internal working cavity with an oval cross-section, in which a rotor is placed in the form of a trihedral prism with convex faces, having a cylindrical cavity along its axis and connected by this cavity with an eccentric shaft. The eccentric of the eccentric shaft is located in the cylindrical cavity of the rotor with the possibility of rotation of the rotor. The rotor ribs are provided with sealing elements. The shaft is characterized in that its eccentric is made in a shape different from cylindrical in that two longitudinal recesses are made on its surface in such a way that its cross section is limited by a curved line formed by two arcs of the same circumference, opposite each other, connected between two lines curved into a circle. The thickness of the eccentric along the axis is equal to the length of the cylindrical cavity of the rotor. The eccentric can be made either integrally with the shaft, or as a separate part, rigidly mounted on the shaft. The technical results of such a solution to the eccentric shaft can only be recognized as a reduction in material consumption for the manufacture of the eccentric and improved mass balance relative to the axis of rotation of the shaft. The disadvantage of this solution is that the rotor of an engine equipped with such an eccentric shaft is sharply displaced at the moment of ignition of the combustible mixture, while there is an increase in the load on the sealing element installed in the edge of the rotor opposite to the face experiencing the pressure of the combustible mixture, the wear of the sealing element is enhanced at this point in time.

Известен эксцентриковый вал, предназначенный, в частности, для роторного двигателя, по описанию к патенту US 4431327 (МПК-7: B25G 3/00; F16D 1/00; F16G 11/00, опубл. 1984.02.14). Эксцентрик этого вала обладает радиальной подвижностью относительно оси вала. Смещению эксцентрика противодействуют пружины. Такая конструкция не способна предотвратить износ уплотнительных элементов ротора. Кроме того, такая конструкция обладает низкой надежностью, так как подвергаются износу детали крепления эксцентрика к валу.A known eccentric shaft, intended, in particular, for a rotary engine, as described in patent US 4431327 (IPC-7: B25G 3/00; F16D 1/00; F16G 11/00, publ. 1984.02.14). The eccentric of this shaft has radial mobility about the axis of the shaft. Eccentric displacement is counteracted by springs. This design is not able to prevent wear of the sealing elements of the rotor. In addition, this design has low reliability, since the parts of the mounting of the eccentric to the shaft are subject to wear.

Известен эксцентриковый вал для роторного двигателя по описанию к патенту US 3359953 (МПК: F02B 53/00, опубл. 1967.12.26), который служит прототипом при описании предлагаемого решения. Эксцентрик этого вала имеет форму цилиндра с высотой (т.е. осью), по существу равной высоте трехгранной призмы, в форме которой выполнен ротор двигателя (за исключением части высоты призмы, равной глубине выемки в призме для закрепления венца внутреннего зацепления передаточного механизма). Диаметр эксцентрика по существу равен диаметру посадочной полости ротора двигателя, раскрытого в описании к патенту US 3359953. Недостаток этого эксцентрикового вала заключается в том, что цилиндрическая форма эксцентрика не позволяет корректировать движение ротора в момент воспламенения горючей смеси с целью уменьшения нагрузки на уплотнительный элемент ребра ротора. В момент детонации горючей смеси давление газов резко прижимает противоположное ребро ротора к поверхности рабочей полости корпуса двигателя. Эта сила прижатия одновременно вызывает ускорение перемещения ребра ротора вдоль поверхности рабочей полости. В этот момент происходит интенсивный износ уплотнительного элемента. Вследствие интенсивного износа со временем ухудшается герметичность уплотнения, возникают перетоки газов между рабочими камерами, повышается токсичность выхлопа вследствие неполного сгорания топлива, снижается мощность из-за потерь давления на стадии сжатия горючей смеси, повышается расход топлива.Known eccentric shaft for a rotary engine according to the description of the patent US 3359953 (IPC: F02B 53/00, publ. 1967.12.26), which serves as a prototype in the description of the proposed solution. The eccentric of this shaft has the shape of a cylinder with a height (i.e., an axis) essentially equal to the height of the trihedral prism in the form of which the rotor of the engine is made (except for a part of the height of the prism equal to the depth of the recess in the prism to fix the crown of the internal gearing of the gear). The diameter of the eccentric is essentially equal to the diameter of the landing cavity of the rotor of the engine, disclosed in the description of the patent US 3359953. The disadvantage of this eccentric shaft is that the cylindrical shape of the eccentric does not allow you to adjust the movement of the rotor at the moment of ignition of the combustible mixture in order to reduce the load on the sealing element of the rotor rib . At the moment of detonation of the combustible mixture, the gas pressure sharply presses the opposite edge of the rotor to the surface of the working cavity of the engine housing. This pressing force simultaneously accelerates the movement of the rotor rib along the surface of the working cavity. At this moment, intensive wear of the sealing element occurs. Due to intensive wear over time, the tightness of the seal worsens, gas flows between the working chambers occur, the toxicity of the exhaust increases due to incomplete combustion of the fuel, the power decreases due to pressure losses at the stage of compression of the combustible mixture, and fuel consumption increases.

Указанные выше задачи предлагаемых изобретений решаются тем, что предлагаемый эксцентриковый вал выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Выполнение эксцентрикового вала в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов (например, таких, которые служат для прерывистого преобразования вращательного движения в поступательное) предполагает жесткое закрепление эксцентрика на валу или выполнение эксцентрика за одно целое с валом. Выполнение эксцентрика в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле, предполагает, что профиль эксцентрика имеет переменную кривизну, при этом на рабочей части кулачка, т.е. на участке профиля, наиболее удаленном от оси эксцентрикового вала, имеются две точки локального максимума кривизны - опорные точки. Предлагаемый эксцентриковый вал отличается от ближайшего аналога и от прочих известных аналогов тем, что он выполнен в виде кулачкового вала для кулачково-следящих механизмов, а эксцентрик эксцентрикового вала соответственно выполнен в форме кулачка, рабочая часть которого выполнена с двумя опорными точками в профиле. Преимущества предлагаемого эксцентрикового вала проявляются при работе роторного двигателя, диаметр посадочной полости ротора которого выполнен превышающим максимальный диаметр эксцентрика эксцентрикового вала, так чтобы обеспечивать свободную (не плотную) посадку ротора на эксцентрик. В момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор не на место контакта, противоположного этой камере ребра ротора с поверхностью рабочей полости, а частично на ту из опорных точек кулачка, которая расположена сзади, считая по ходу вращения ротора. При этом кулачок, поворачиваясь вместе с валом, прижимает ротор навстречу давлению газов и прижимает к поверхности рабочей полости уплотнительные элементы, ограничивающие эту рабочую камеру спереди и сзади (считая по ходу скольжения ребер ротора). Таким образом, достигаются несколько результатов:The above objectives of the proposed inventions are solved in that the proposed eccentric shaft is made in the form of a cam shaft for cam followers, and the eccentric of the eccentric shaft is respectively made in the form of a cam, the working part of which is made with two reference points in the profile. The implementation of the eccentric shaft in the form of a cam shaft for cam followers (for example, those that serve for intermittent conversion of rotational motion into translational motion) involves rigidly securing the eccentric to the shaft or performing the eccentric in one piece with the shaft. The execution of the cam in the form of a cam, the working part of which is made with two reference points in the profile, assumes that the profile of the cam has variable curvature, while on the working part of the cam, i.e. on the profile section farthest from the axis of the eccentric shaft, there are two points of local maximum curvature - reference points. The proposed eccentric shaft differs from the closest analogue and from other known analogues in that it is made in the form of a cam shaft for cam followers, and the eccentric shaft is respectively made in the form of a cam, the working part of which is made with two reference points in the profile. The advantages of the proposed eccentric shaft are manifested during operation of the rotary engine, the diameter of the rotor mounting cavity of which is made to exceed the maximum diameter of the eccentric shaft eccentric, so as to ensure free (not tight) landing of the rotor on the eccentric. At the moment of ignition in the working chamber of the combustible mixture, the gas pressure is transmitted through the rotor not to the point of contact opposite to this chamber of the rotor rib with the surface of the working cavity, but partially to that of the cam reference points, which is located behind, counting along the rotor rotation. In this case, the cam, turning together with the shaft, presses the rotor against the gas pressure and presses sealing elements to the surface of the working cavity, which limit this working chamber front and rear (counting along the sliding edges of the rotor). Thus, several results are achieved:

снижается токсичность выхлопных газов, поскольку топливо дожигается в этой же рабочей камере, и продукты неполного сгорания не просачивается мимо уплотнительного элемента в ту соседнюю рабочую камеру, которая входит в стадию выхлопа;the toxicity of exhaust gases is reduced, since the fuel is burned in the same working chamber, and the products of incomplete combustion do not leak past the sealing element into that neighboring working chamber, which enters the exhaust stage;

Дополнительный технический результат состоит в том, что при снижении скорости вращения ротора, например, при работе на холостом ходу, в момент воспламенения в рабочей камере горючей смеси давление газов передается через ротор частично на опорную точку кулачка, расположенную спереди, считая по ходу вращения эксцентрикового вала. Таким образом, при снижении скорости вращения ротора предотвращается снижение степени проявления технических результатов.An additional technical result is that when the rotor speed is reduced, for example, when idling, at the moment of ignition in the working chamber of the combustible mixture, the gas pressure is transmitted through the rotor partially to the cam reference point located in front, counting along the rotation of the eccentric shaft . Thus, with a decrease in rotor speed, the degree of manifestation of technical results is prevented.

Достижение перечисленных результатов является подтверждением решения указанных выше задач предлагаемых изобретений.The achievement of the above results is a confirmation of the solution of the above problems of the proposed inventions.

Конструкция и работа предлагаемых технических решений поясняются фигурами, прилагаемыми к настоящему описанию. На фиг.1 представлен упрощенный рисунок сечения предлагаемого роторного двигателя с предлагаемым эксцентриковым валом. Фиг.2 поясняет устройство передаточного механизма. На фиг.3 упрощенно изображен общий вид предлагаемого эксцентрикового вала с опорными точками, обозначенными на поверхности кулачка штриховой линией. На фиг.4 на схематичном изображении сечения двигателя представлены векторы сил, действующих в двигателе в момент воспламенения горючей смеси.The design and operation of the proposed technical solutions are illustrated by the figures attached to the present description. Figure 1 presents a simplified cross section of the proposed rotary engine with the proposed eccentric shaft. Figure 2 explains the device of the gear mechanism. Figure 3 simplified depicts a General view of the proposed eccentric shaft with reference points indicated on the surface of the cam by a dashed line. Figure 4 in a schematic representation of the cross section of the engine presents the vectors of forces acting in the engine at the time of ignition of the combustible mixture.

Предлагаемый роторный двигатель состоит из полого корпуса 1, полость 2 которого выполнена в виде цилиндра эпитрохоидального сечения, см. фиг.1. Торцовая крышка корпуса со стороны зрителя на рисунке не показана. По оси корпуса установлен с возможностью вращения вал 3 (удерживается по оси корпуса с помощью торцовых крышек корпуса 1). На валу 3 жестко закреплен эксцентрик 4, а на эксцентрике 4 свободно посажен с возможностью вращения ротор 5. Диаметр цилиндрической посадочной полости 6 ротора 5 превосходит максимальный диаметр эксцентрика 4. В ребрах ротора 5 установлены уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. В корпусе 1 установлены свечи 8 системы зажигания. В торцовой крышке, расположенной со стороны двигателя, противоположной от зрителя, выполнены выпускное 9 и впускное 10 отверстия. Во избежание загромождения фиг.1 деталями, устройство передаточного механизма представлено на фиг.2. Шестерни 11 и 12 выделены штриховкой. Зубцы шестерен изображены упрощенно, их форма и количество условны. Шестерня 11 закреплена на одной из торцовых крышек (не показана) корпуса 1 соосно с эксцентриковым валом 3. Шестерня 12 внутреннего зацепления закреплена на роторе 5. Различные последовательные фазы работы двигателя не приводятся, поскольку они хорошо известны специалистам. Преимущества предлагаемых технических решений проявляются при работе двигателя следующим образом. В момент воспламенения горючей смеси, которому соответствует положение двигателя, изображенное на фиг.1, расширяющиеся газы давят на грань ротора 5, расположенную между уплотнительными элементами 7б и 7в, и ротор 5 поворачивается в направлении, обозначенном на фиг.1, 2 и 4 изогнутой стрелкой без надписи. Под действием давления газов ротор 5 давит на корпус 1 своим уплотнительным элементом 7а, но смещение ротора в предлагаемом двигателе ограничивается опорной точкой 13 эксцентрика 4, которая принимает на себя давление газов, передаваемое через ротор. В точке 14 эксцентрик 4 не соприкасается с ротором 5, в этом месте он проточен для свободного перемещения. Действующие в этот момент силы представлены на фиг.4. Результирующая сила, действующая на ротор 5 со стороны воспламенившихся газов, обозначена стрелкой Р, направленной перпендикулярно плоскости p-p, проходящей через ребра ротора, ограничивающие ту его грань, на которую оказывают давление газы. Сила, действующая со стороны ротора 5 на эксцентрик 4 в опорной точке 13, обозначена стрелкой N и направлена перпендикулярно плоскости n-n, касательной к цилиндрической поверхности посадочной полости 6 ротора 5 в опорной точке 13. Плоскости p-p и n-n образуют «клин» с углом α, возникающий за счет вращения ротора. Регулировка этого угла α позволяет добиться оптимального давления на уплотнительные элементы 7а, 7б, 7в. При перемещении ротора 5 этот «клин» с углом α одновременно отклоняет ротор навстречу расширяющимся газам и снимает нагрузку с уплотнительного элемента 7а (такой же «клин» возникает в опорной точке 15 на холостом ходу, при снижении оборотов двигателя). При вращении ротора 5 эксцентрик 4 эксцентрикового вала 3 давит ротором 5 на стенки полости 2 корпуса 1 за счет эффекта клина. Прижимной эффект происходит не за счет подпружиненных уплотнительных элементов, как это происходит в прототипе предлагаемого двигателя, а за счет вращения ротора. И в особо важный момент - детонации горючей смеси, момент интенсивного износа уплотнительного элемента переносится на эксцентрик. При этом достигаются технические результаты: снижается износ уплотнительных элементов, снижается токсичность выхлопных газов, повышается мощность двигателя, снижаются расход топлива и его потери.The proposed rotary engine consists of a hollow body 1, the cavity 2 of which is made in the form of a cylinder of epitrochoidal cross section, see figure 1. The end cover of the case on the viewer side is not shown in the figure. The shaft 3 is mounted rotatably on the housing axis (it is held along the housing axis with the end caps of the housing 1). An eccentric 4 is rigidly fixed on the shaft 3, and a rotor 5 is freely mounted rotatably on the eccentric 4. The diameter of the cylindrical seating cavity 6 of the rotor 5 exceeds the maximum diameter of the eccentric 4. Sealing elements 7a, 7b, 7c are installed in the ribs of the rotor 5. In the housing 1, spark plugs 8 of the ignition system are installed. In the end cap located on the side of the engine opposite from the viewer, there are exhaust 9 and inlet 10 openings. In order to avoid cluttering of Fig. 1 with details, the transmission mechanism is shown in Fig. 2. Gears 11 and 12 are highlighted by hatching. The teeth of the gears are depicted simplistically, their shape and number are arbitrary. The gear 11 is mounted on one of the end caps (not shown) of the housing 1 coaxially with the eccentric shaft 3. The gear 12 of the internal gearing is mounted on the rotor 5. Various successive phases of the engine are not given, as they are well known to specialists. The advantages of the proposed technical solutions are manifested during engine operation as follows. At the moment of ignition of the combustible mixture, which corresponds to the engine position shown in Fig. 1, expanding gases press on the edge of the rotor 5 located between the sealing elements 7b and 7c, and the rotor 5 rotates in the direction indicated in Figs. 1, 2 and 4 arrow without an inscription. Under the influence of gas pressure, the rotor 5 presses on the housing 1 with its sealing element 7a, but the displacement of the rotor in the proposed engine is limited by the reference point 13 of the eccentric 4, which receives the gas pressure transmitted through the rotor. At point 14, the eccentric 4 is not in contact with the rotor 5, at this point it is punched for free movement. The forces acting at this moment are presented in Fig. 4. The resulting force acting on the rotor 5 from the side of flammable gases is indicated by the arrow P, directed perpendicular to the p-p plane passing through the edges of the rotor, limiting the face on which the gases exert pressure. The force exerted by the rotor 5 on the eccentric 4 at the reference point 13 is indicated by the arrow N and is directed perpendicular to the plane nn tangent to the cylindrical surface of the seating cavity 6 of the rotor 5 at the reference point 13. The planes pp and nn form a “wedge” with an angle α, arising due to the rotation of the rotor. Adjusting this angle α makes it possible to achieve optimal pressure on the sealing elements 7a, 7b, 7c. When moving the rotor 5, this “wedge” with angle α simultaneously deflects the rotor towards expanding gases and removes the load from the sealing element 7a (the same “wedge” occurs at the reference point 15 at idle, with a decrease in engine speed). When the rotor 5 rotates, the eccentric 4 of the eccentric shaft 3 presses with the rotor 5 on the walls of the cavity 2 of the housing 1 due to the effect of the wedge. The clamping effect occurs not due to the spring-loaded sealing elements, as occurs in the prototype of the proposed engine, but due to the rotation of the rotor. And at a particularly important moment - the detonation of the combustible mixture, the moment of intensive wear of the sealing element is transferred to the eccentric. At the same time, technical results are achieved: the wear of the sealing elements is reduced, the toxicity of the exhaust gases is reduced, the engine power is increased, and fuel consumption and its losses are reduced.

Предлагаемые изобретения могут использоваться в двигателестроении вообще, в частности в производстве двигателей для автомобилей.The present invention can be used in the engine industry in general, in particular in the manufacture of engines for automobiles.

Claims

1. A rotary engine containing a housing with a working cavity made in the form of a cylinder with an oval (epitrochoidal) side surface, also containing an eccentric shaft located along the axis of the working cavity, also containing a rotor in the form of a triangular prism, the axis of which is made into a cylindrical landing cavity under the eccentric an eccentric shaft, while the rotor is mounted in the working cavity on the eccentric of the eccentric shaft with the possibility of rotation, also containing a transmission mechanism, one of the elements of which is not suitable it is gentle relative to the rotor, and the other is stationary relative to the housing, which ensures the continuous sliding of the three ribs of the rotor prism parallel to the rotor axis and provided with sealing elements during rotation of the eccentric shaft along the oval (epitrochoidal) surface of the working cavity with the formation of three working chambers of variable volume and providing a ratio of rotation periods rotor around its axis and the rotation of the eccentric shaft "three to one", characterized in that the eccentric shaft is made in the form of a cam shaft for cam-follower mechanisms, the eccentric shaft respectively eccentric is in the form of the cam and the diameter of the rotor chamber seat formed higher than the maximum diameter of the eccentric of the eccentric shaft so as to provide a free (not tight) fit on the rotor shaft of the eccentric cam.

2. The eccentric shaft, characterized in that it is made in the form of a cam shaft for cam followers, and the eccentric cam is respectively made in the form of a cam, the working part of which is made with two reference points in the profile.