Автомобильные роторно-поршневые двигатели (1964 год) - часть 13

Устройство и принцип действия роторно-поршневого двигателя с планетарным движением ротора

Устройство односекционного РПД с планетарным движением ротора, на основе которого в настоящее время ведется большинство конструкторско-экспериментальных работ по двигателю данного типа, показано на фиг. 30.

РПД состоит из эксцентрикового вала 2, ротора 3, свободно посаженного на эксцентрик, неподвижного корпуса 1 с двумя боковыми крышками 9, в которых находятся подшипники эксцентрикового вала, и двух маховиков-противовесов 4 и 6, жестко закрепленных на обоих концах вала.

Ротор 3 имеет в поперечном сечении форму равностороннего треугольника со сторонами, очерченными по дуге.

Возможно также применение роторов с двумя, четырьмя или большим числом сторон.

На одном из торцов ротора жестко закреплена цилиндрическая шестерня с внутренним зацеплением, ось которой совпадает с осью ротора. Эта шестерня входит в зацепление с неподвижной шестерней, закрепленной на одной из боковых крышек корпуса и расположенной соосно с эксцентриковым валом, шейка которого проходит с зазором через центральное отверстие в ступице шестерни.

При применении ротора с тремя выступами отношение чисел зубьев шестерни ротора и неподвижной шестерни равно 3 : 2.

При вращении эксцентрикового вала ротор вращается вместе с ним и одновременно (вследствие обкатывания шестерни с внутренним зацеплением по неподвижной шестерне) вращается вокруг своей оси, т. е. совершает планетарное движение. При этом, как это подробно рассмотрено выше, вершины всех выступов ротора теоретически движутся по одной и той же .замкнутой кривой эпитрохоиде.

Поперечное сечение внутренней цилиндрической рабочей поверхности неподвижного корпуса имеет профиль эквидистанты к эпитрохоиде и отстоит от нее на величину радиуса скругления пластин системы уплотнения. В соответствующих местах корпуса располагаются

впускное и выпускное окно и электрическая свеча зажижигания. Впускное окно сообщается с впускной трубой и карбюратором, а выпускное —с выпускной трубой и глушителем.
Противовесы и маховики могут изготовляться вместе или раздельно. Вместо двух маховиков Может применяться один.

Зазоры между наружными поверхностями ротора, внутренней рабочей поверхностью неподвижного корпуса и поверхностями боковых крышек корпуса уплотняются системой элементов, прижимаемых силой давления рабочих газов, пружинами и силами инерции.

Фиг. 30. Односекционный РПД с планетарным движением ротора:
1 — корпус; 2 — эксцентриковый вал; 3 — ротор; 4 — задний маховик-противовес; 5 — выпускной патрубок; 6 — передний маховик-противовес; 7 — впускной патрубок; 8 — прерыватель системы зажигания; 9 — крышка корпуса; 10 — свеча зажигания; 11 — маслоотводящий диск.

Помимо перечисленных деталей, РПД имеет устройства для подвода смазки к трущимся поверхностям, отвода тепла от корпуса, боковых стенок и ротора и обеспечения появления в нужный момент электрической искры между электродами свечи.

Противовесы служат для уравновешивания центробежной силы, (возникающей от вращения ротора и эксцентрика вокруг оси вала.

При применении ротора с тремя выступами между поверхностями ротора, корпуса и его боковых стенок образуются три, замкнутых отсека, объемы которых при вращении вала непрерывно изменяются от минимального до максимального, и наоборот. Изменение объемов используется для организации в этих отсеках четырехтактного цикла с внешним смесеобразованием и принудительным (от электрической искры) воспламенением рабочего заряда.

В принципе возможно также применение цикла с впрыском топлива в рабочие отсеки через форсунку и воспламенением рабочего заряда за счет тепла сжатия.

В каждом из отсеков РПД осуществляется полный четырехтактный цикл, хотя газообмен в них происходит через одни и те же окна, к которым эти отсеки последовательно подводятся при вращении эксцентрикового вала. Точно так же воспламенение заряда, веденного в отсеки РПД, последовательно осуществляется одной и той же свечой зажигания.

Чтобы избежать слишком высокой степени сжатия, на каждой из боковых поверхностей ротора делаются выемки, в которых размещается часть объема камер сгорания.

Схема чередования тактов в одном из трех рабочих отсеков РПД, имеющего ротор с тремя выступами, показана на фиг. 31. Там же схематически показаны аналогичные процессы, происходящие в цилиндре обычного поршневого четырехтактного верхнеклапанного двигателя.

Выступы ротора, ограничивающие рассматриваемый рабочий отсек, обозначены буквами А и В.

Фиг. 31. Схема работы РПД с планетарным движением ротора:

Положение 1 ротора соответствует началу такта впуска в рабочем отсеке АВ, имеющем в этот момент минимальный объем. В обычном поршневом двигателе это соответствует положению поршня в в. м. т. в начале такта впуска. В этот момент, как известно, имеет место так называемое перекрытие клапанов, т. е. оба клапана находятся в незакрытом состоянии; впускной клапан уже начал подниматься, а выпускной еще не закрылся полностью. Рассматриваемый рабочий отсек РПД в этом положении также сообщается с впускным и выпускным окнами.

При движении ротора в направлении по часовой стрелке объем рабочего отсека А В увеличивается, и в него через впускное окно начинает поступать горючая смесь. Выступ А ротора отсекает выпускное окно, и отсек остается сообщенным только с впускным окном. При показанных на схеме положениях 2 и 3 ротора в отсеке АВ осуществляется такт впуска. При положении 4 ротора объем рассматриваемого отсека является максимальным, соответствующим объему рабочего отсека обычного поршневого двигателя при нахождении поршня в н. м. т. в конце такта впуска. У современных поршневых двигателей впускной клапан в этот момент продолжает еще оставаться открытым для использования с целью улучшения наполнения цилиндра инерции столба горючей смеси, движущейся во впускном трубопроводе. С этой же целью при положении 4 ротора рабочий отсек продолжает сообщаться с впускным каналом.

При дальнейшем вращении ротора объем рабочего отсека АВ уменьшается и, после того как выступ В ротора перекроет впускное окно, начинается такт сжатия (положения 5 и 6 ротора).

Положение 7 ротора, при котором объем отсека 5 АВ вновь становится минимальным, соответствует у обычного двигателя положению поршня в н. м. т. в конце такта сжатия. К этому времени, как видно из фиг. 31, ротор успевает повернуться вокруг своей оси «а 180°, а эксцентриковый вал на 1,5 оборота, т. е. на 540°. Незадолго до этого положения ротора (в соответствии с обычным опережением момента зажигания) между электродами свечи зажигания проскакивает искра, поджигающая рабочую смесь в отсеке АВ. Весь заряд воспламеняется, давление в рабочем отсеке возрастает и при дальнейшем

вращении ротора по направлению часовой стрелки между равнодействующей сил давления газов на поверхность ротора в отсеке АВ и осью эксцентрикового вала появляется плечо, а следовательно, и момент, заставляющий вал вращаться. При этом осуществляется рабочий ход, или такт расширения газов.

В положении 8 ротора указанное выше плечо достигает максимальной величины (в поршневом двигателе с обычным кривошипным механизмом этому соответствует положение, при котором угол между радиусом кривошипа и осью шатуна равен 90°). При дальнейшем вращении эксцентрикового вала плечо, на котором действует равнодействующая сил давления газов, начинает уменьшаться, а объем полости АВ продолжает возрастать.

В положении 9 ротора объем полости АВ вновь достигает максимальной величины. У обычного поршневого двигателя это соответствует положению поршня в н. м. т. в конце такта расширения. Эксцентриковый вал к этому времени делает два оборота, а ротор повертывается вокруг своей оси на 240°.

При дальнейшем вращении ротора выступ В сообщает полость АВ с выпускным окном (положение 10); объем полости начинает уменьшаться и происходит выталкивание продуктов сгорания через выпускное окно в выпускную трубу, т. е. такт выпуска (положения 11 и 12 ротора). Наконец, ротор снова приходит в положение 1 (соответствующее положению поршня в в. м. т. у обычного поршневого двигателя в конце такта выпуска и в начале такта впуска), и после этого четырехтактный цикл в отсеке АВ начинается сначала.

Таким образом, в течение четырех тактов ротор совершает один оборот (360°), а эксцентриковый вал — три оборота (1080°). Каждый такт соответствует 1080:4 = 270° угла поворота эксцентрикового вала.

В двух других отсеках РПД осуществляется такой же четырехтактный цикл, но со сдвигом фазы в направлении вращения ротора в первом отсеке на 120° и во втором — на 240° по отношению к отсеку АВ.

Следовательно, на один оборот ротора приходится три рабочих такта, а на один оборот эксцентрикового вала — один рабочий такт. Поэтому описанный РПД по равномерности крутящего момента на выходном эксцентриковом валу подобен одноцилиндровому двухтактному двигателю.

Фиг. 32. Система уплотнения рабочих отсеков РПД Ванкель-НСУ.

Реактивный момент РПД воспринимается корпусом и лапами крепления двигателя к раме машины или к фундаменту. Если бы был закреплен эксцентриковый вал, а не корпус, то последний вращался бы вокруг оси вала, так как равнодействующая сил газов, воспринимаемых трохоидной поверхностью корпуса, не проходит через ось вала.

Неподвижная шестерня и обкатывающаяся по ней шестерня ротора служат только для соответствующей синхронизации движения ротора и эксцентрикового зала, поэтому их иногда называют синхронизирующими шестернями.

Уплотнение рабочих отсеков РПД Ван-кель-НСУ (фиг. 32) состоит из радиальных элементов — лопаток 1 (по одной на каждый выступ ротора), торцовых планок 2 (три планки на каждом торце ротора соответственно числу рабочих отсеков) и угловых сухариков 3 (по три сухарика на каждом торце ротора соответственно числу выступов ротора). Под лопатками, торцовыми планками и угловыми сухариками помещаются гофрированные ленточные пружины, прижимающие перечисленные детали к рабочим поверхностям корпуса или боковых крышек.

При работающем двигателе к давлению пружин добавляется давление рабочих газов на внутренние поверхности торцовых пластин и угловых сухариков.

На детали системы уплотнения действуют также силы инерции, возникающие в результате планетарного движения ротора. При прохождении лопатками участков

сопряжения ветвей трохоиды силы инерции имеют отрицательное значение и стремятся оторвать лопатку от внутренней рабочей поверхности корпуса. Этому противодействуют пружины, необходимые, кроме того, еще при пуске двигателя, когда силы давления газов и силы инерции невелики. Торцовые планки одновременно препятствуют попаданию избыточного количества смазочного масла в рабочие отсеки. Угловые сухарики необходимы для уплотнения стыка между концами радиальных лопаток и торцовых планок.

Особенно большое значение действие уплотняющих лопаток и планок РПД приобретает тогда, когда в одном из соседних отсеков находится рабочая смесь, а в другом находятся раскаленные продукты сгорания. При недостаточной герметичности может произойти преждевременное воспламенение смеси.

Фиг. 33. Продольный разрез двухроторного РПД DKM-54:

содержание .. 11 12 13 14 ..