Автомобильные роторно-поршневые двигатели (1964 год) - часть 3

Классификация изобретений в области роторно-поршневых двигателей

В настоящее время РПД еще не выпускают серийно. С этим связана ограниченность литературных трудов, посвященных таким двигателям как по количеству, так и по объему их анализа. Исключение представляют лишь роторные двигатели типа Ванкель, которые в последние годы настолько широко освещены в литературе, что многие читатели отождествляют понятия «роторный двигатель» и «двигатель Ванкеля». Это, безусловно, мешает развитию идей в данной области.

Для того чтобы получить более полное представление о многообразии разновидностей РПД, следует обратиться к многочисленной патентной литературе в

области двигателей данного класса, опубликованной в СССР и за рубежом.

Общее число схем и конструкций РПД, оформленных патентами в развитых 'промышленных странах, исчисляется тысячами. Помимо Советского Союза, особенно большое число изобретений в данной области оформлено в США, Франции и ФРГ.

Схемы и конструкции РПД могут быть разделены на несколько подклассов или аналоговых групп. Такая система типовой классификации изобретений в области РПД удобна для работы изобретателей и исследователей: она способствует упрощению анализа сходных схем и позволяет распространять результаты рассмотрения изобретений .на аналогичные с ними схемы.

Наиболее подробные системы классификации изобретений в области роторно-поршневых двигателей применяются в СССР, США, ГДР и ФРГ. Действующая отечественная классификация предусматривает деление изобретений класса «Двигатели внутреннего сгорания с вращающимися поршнями, качающимися поршнями и пр.» (1 Класс 46. Классификация изобретений СССР.) на следующие подклассы:

классификация менее подробна, чем применяемая в СССР, но удобна вследствие достаточно четкой типизации и целесообразности названий подклассов.

Эта классификация предусматривает девять подклассов в классе «Роторные двигатели внутреннего сгорания» ( Класс 123. Классификация изобретений США.), а именно:

11. Роторные двигатели.

12. Двигатели с переменным законом движения поршней.

13. Двигатели с поршнями, приводимыми в движение шестернями.

14. Двигатели с вращающимися заслонками.

15. Двигатели со скользящими заслонками.

16. Двигатели с качающимися заслонками.

17. Двигатели со скользящими поршнями.

18. Двигатели с качающимися поршнями.

19. Двигатели с поршнями, совершающими колебательное движение.

Значительно менее подробно разработаны системы классификации РПД, применяемые в Англии, Японии, Франции, Голландии, Италии и Бельгии. В последних четырех странах действует так называемая .международная система классификации изобретений. Эта система фактически дает лишь определение агрегатов данного класса «Машины с вращательным или колебательным движением поршня». В английской патентной литературе имеется класс двигателей «Роторные двигатели, насосы, нагнетатели».

Приведенные выше системы классификации изобретений в области РПД, разработанные в СССР и США, охватывают практически все возможные разновидности схем двигателей данного класса. Лишь в редких случаях не удается отнести схему того или иного РПД к одному определенному подклассу отечественной системы. В этом отношении система классификации США невыгодно отличается от отечественной тем, что подкласс 11 может охватывать практически все характерные разновидности двигателей остальных подклассов.

До настоящего времени изобретатели и исследователе продолжают разработки РПД практически всех разновидностей, охватываемых перечисленными подклассами.

Между тем можно показать, что при реализации РПД ряда подклассов нельзя решить перечисленные выше основные задачи, которые ставятся при создании этих двигателей.

При сравнительном рассмотрении схем РПД разных подклассов их целесообразно группировать по основным кинематическим признакам движения роторов и методам формирования закона изменения рабочих отсеков. Таким образом, в каждую из групп могут входить схемы РПД нескольких подклассов.

Схемы двигателей с вращательно-возвратным движением поршней

По аналогии с ПД, где поршни совершают поступа-тельно-возвратное движение, в ряде схем РПД, в особенности предложенных в первой половине XX в., рабочие органы — роторы или поршни — гипотетически совершают вращательно-возвратное движение, напоминающее колебательное движение маятника. Среди отечественных авторов подобных схем РПД могут быть названы К. Ф. Борковский, В. Т. Фролов, В. М. Маслов и др.

В двигателях данного подкласса должны быть предусмотрены крышки рабочих отсеков (или упоры), ограничивающие перемещение поршней. Вследствие симметрии механизма в подобных схемах стремятся к осуществлению принципа двойного действия.

На фиг. 4 показана типичная схема РПД с поршнями, совершающими колебательное движение. Для этих схем характерно то, что обычный кривошипно-шатунный механизм заменен рычажной системой.

Основным звеном, позволяющим осуществлять движение системы поршней по дуге окружности, является спарник 4 (фиг. 4), соединяющий поршни и совершающий вращательно-возвратное движение при таком же движении поршней в «цилиндрах» с круговыми образующими. Поршни обычно имеют круглое сечение.

Шатуны 3 с одной стороны соединены со спарником, а с другой — с кривошипными шейками коленчатого вала.

Для данных схем характерно размещение механизма в плоскости симметрии рабочего отсека, что увеличивает габаритные размеры двигателя.

При изготовлении подобного двигателя иногда предусматривают кольцевой паз в рабочих полостях, напоминающих собой цилиндры, ось которых деформирована по дуге окружности, для прохода спарника. Наличие такого паза несколько ухудшает условия компоновки механизма, так как для избежания пропуска газов в паз требуется удлинять спарник, соединяющий пару

поршней, размещенных в каждой из рабочих полостей, в таких пределах, чтобы при работе двигателя поршневые кольца не входили бы в паз.

Принципиальным недостатком РПД данной группы является размещение устройства для преобразования вращательно - возвратного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности в плоскости оси тороидных рабочих полостей. Кроме того, вследствие ограничения размаха поршней из-за наличия крышек и пазов определенной длины для хода спарника и необходимости размещения внутри рабочих полостей коленчатого вала,

Фиг. 4. Схема двигателя с вращательно-возвратным движением поршней:
А — рабочие отсеки; 1 — цилиндр;
2 — лопасть; 3 — шатун; 4 — спарник; 5 — свечи зажигания; 6 — окно газораспределения.

Динамика РПД данной группы сходна с динамикой ПД, с той разницей, что поступательно-возвратное движение поршней заменено вращательно-возвратным движением. Вследствие циклического возвратного движения механизма на его элементы действуют знакопеременные силы инерции и их моменты. Амплитуда этих сил и моментов увеличивается примерно пропорционально квадрату числа ходов поршней в единицу времени. В этом отношении РПД данной группы аналогичны ПД. Условия работы элементов цилиндрово-поршневой группы РПД сходны с соответствующими условиями в ПД за исключением отрицательного влияния кривизны образующих тороидных поверхностей на точность геометрического выполнения последних.

Данная схема, так же как и предыдущие, имеет недостаток, обусловленный характером кинематики механизма: большая амплитуда знакопеременных моментов сил инерции, возникающих при вращательно-возвратном движении ротора. Кроме того, намного ухудшаются условия работы элементов уплотнений тороидных рабочих отсеков, так как они имеют некруглое сечение. В случае рабочих отсеков некруглого сечения затрудняется уплотнение элементов, в которых нарушается плавкость кривой контура. Приходится применять составные устройства, позволяющие уплотнять оба пересекающихся участка контура. Однако уплотнение участка близ линии их пересечения оказывается практически невозможным.

Фиг. 5. Схема двигателя Селвуд с вращательно-возвратным движением поршней:

К недостаткам системы уплотнений РПД данного типа следует отнести относительно большую длину уплотняемого контура.

Для одной из схем РПД рассматриваемого вида характерно применение «цилиндров» круглого сечения, оси которых расположены на поверхности сферы. Цилиндры попарно размещаются в диаметральной плоскости этой сферы во вращающемся корпусе двигателя.

Согласно публикуемым данным опытный двигатель Селвуд, изготовленный по данной схеме, имеет шесть «цилиндров». С каждым из «цилиндров» сопряжено по одному сдвоенному поршню, ось которого представляет собой часть диаметрального сечения сферы (фиг. 5). Поршни шарнирно соединены с поршневыми пальцами 5 крестовины, установленной на подшипниках качения на цилиндрическом шипе 13, ось которого пересекается с неподвижной осью 1.

Корпус двигателя установлен на оси 1 на подшипниках качения 9 и 14. При вращении корпуса, жестко связанного с валом отбора мощности 8, вокруг оси 1 вследствие непараллельности этой оси, оси шипа и крестовины поршни совершают по отношению к «цилиндрам» вращательно-возвратное движение, одновременно вращаясь вокруг оси 1 вместе с корпусом.

Данный двигатель работает по двухтактному циклу. Для продувки применяется продувочный насос типа Руг. Воспламенение заряда осуществляется электрическими свечами 7, расположенными по концам каждого цилиндра. Бензо-воздушная смесь с присадкой масла подается через отверстие полого вала и далее через окна 12, открываемые поршнями при их движении. Выпуск отработавших газов производится через окна 4 в «цилиндрах». «Цилиндры» имеют ребра 10 воздушного охлаждения. Степень сжатия в демонстрационном образце двигателя составляла всего 3. При повышении степени сжатия требуется переходить от системы охлаждения без принудительного движения воздушных потоков к системам, обеспечивающим более интенсивное охлаждение. Для системы электрического зажигания характерно применение бесконтактной коммутации разряда через воздушный промежуток.

К недостаткам двигателей Селвуд относят сложность обработки цилиндров и поршней, трудности компенса-

ции разницы в тепловых деформациях цилиндра, низкий механический к. п. д. механизма для преобразования поступательно-возвратного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности, а также очень большие центробежные нагрузки на поршни, цилиндры и узлы сочленения поршней с крестовинами.

содержание .. 1 2 3 4 ..