Роторный двигатель внутреннего сгорания, несмотря на его малое распространение сегодня, имеет богатейшую и интересную историю разработки и развития данного типа двигателей. Эти двигатели внутреннего сгорания можно разделить на несколько типов: роторно — лопастные, роторно — поршневые и сами роторные моторы.
Наиболее простым и надежным составом компоновки обладает роторный двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочим элементом, создающим переменный рабочий объем является ротор.
Самым распространенным примером сегодня, служит мотор Ванкеля, у которого сложная форма внутренней полости и простой ротор, совершающий планетарно — круговые движения.
На основе рассмотрения конструкции роторных моторов, относительно поршневых моторов, которые имеют еще большее количество вопросов касающихся их массового применения, можно выделить следующие недостатки:
Наряду с недостатками роторных двигателей, существуют и преимущества, выгодно выделяющие их в истории развития двигателестроения:
Сегодня в мире выпускается лишь один серийный автомобиль Mazda RX-8, с роторным двигателем внутреннего сгорания.
На данном японском спортивном купе установлен мотор «RENESIS», объем которого составляет всего одна целая три десятых литра, мощностью в 200 – 250 лошадиных сил, которую выдает силовой агрегат с двумя секциями роторов. Все издержки серийного производства роторных двигателей внутреннего сгорания связаны с их специфическими условиями эксплуатации, и небольшим моторесурсом, за счет большого количества постоянно трущихся уплотнений.
protectioncars.ru
Использование: машиностроение, в частности роторные двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: роторный двигатель внутреннего сгорания имеет два соосных ротора, взаимодействующих между собой и с корпусом с образованием рабочих камер переменного объема, привод роторов, содержащий две передачи с некруглыми колесами, взаимодействующими в зацеплениях попарно, и регулятор, взаимодействующий с промежуточной шлицевой втулкой с винтовыми шлицами, установленной на соосных валах привода, и изменяющий рабочий объем камер путем угловых смещений ротора. Один из роторов выполнен обхватывающим и образует вместе с охватываемым ротором рабочие компрессорные и силовые камеры, взаимодействующие между собой и с органами газораспределения. В приводе другого ротора также имеется промежуточная шлицевая втулка с винтовыми шлицами, а рабочий орган регулятора взаимодействует с обеими промежуточными втулками, подвижными в осевом направлении. Их смещением задают фазовый сдвиг одного и начальное положение другого ротора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам, и может быть использовано преимущественно в двигателестроении.
Известны [1] двухтактные роторные ДВС лопаточного типа, состоящие из компрессорной и силовой секций, которые аналогичны по конструкции и имеют между собой механическую и газовую связи. К недостаткам известных роторных ДВС относятся большие габариты, сложность четырехроторной конструкции и низкий КПД ввиду снижения коэффициента наполнения из-за большой длины периферийных каналов газоснабжения и дросселирования при регулировании мощности. Известны [2, 3] четырехтактные роторные ДВС лопаточного типа, у которых в неподвижном полом корпусе установлены соосные охватывающий и охватываемый роторы, вращающиеся в одном направлении при циклически изменяющейся скорости. Однако четырехтактный рабочий цикл не обеспечивает высокую удельную мощность, а традиционный количественный способ регулирования дросселированием снижает КПД. Известны более экономичные роторные машины с двумя соосными роторами и регулятором производительности, выполненным в виде фазосмесителя, установленного в приводе одного из роторов и изменяющего рабочий объем. Однако применительно к ДВС эта машина имеет низкий КПД при частичных нагрузках, что обусловлено уменьшением степени сжатия, сопутствующего изменению рабочего объема при угловом сечении ротора. В качестве прототипа, имеющего наибольшее число общих признаков с заявленным роторным ДВС, принята известная роторная машина [4] пригодная для двигателя по принципиальной схеме. По прототипу роторный ДВС имеет неподвижный полый корпус с окнами впуска и выпуска, роторы, снабженные лопатками, установленные соосно и взаимодействующие лопатками с корпусом с образованием рабочих камер, выходной и промежуточный валы, выполненные шлицевыми и установленные соосно, промежуточную шлицевую втулку, установленную на валах с образованием шлицевых подвижных соединений, из которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами, привод, имеющий две зубчатые передачи, выполненные с некруглыми колесами, взаимодействующими в зацеплениях попарно и соединяющими роторы порознь с выходным и промежуточным валами, регулятор, имеющий рабочий орган, взаимодействующий с промежуточной шлицевой втулкой, и орган управления, снабженный фиксатором положения. Двигатель на основе прототипа имеет малые значения удельной мощности и КПД, поскольку работает по четырехтактному циклу (нет компрессора) и имеет пониженную степень сжатия на малых нагрузках из-за увеличения объема камеры сгорания при угловом смещении ротора. Желателен роторный ДВС с высокими мощностными и экономическими показателями и простой по конструкции. Задача изобретения повышение мощности и КПД и упрощение конструкции. Задача изобретения решается тем, что ротор, кинематически связанный с промежуточным валом, выполнен охватывающим в виде стакана с дополнительными окнами и перепускными каналами газораспределения и внутренними лопатками, образующими вместе с охватываемым ротором смежные компрессорные и силовые рабочие камеры, циклически открытые через окна газораспределения в окна, соответственно, впуска и выпуска и соединяющиеся между собой через перепускной канал, взаимодействующий с лопаткой охватываемого ротора, в приводе последнего имеются дополнительно шлицевой венец, жестко связанный с ротором, промежуточный шлицевой вал и промежуточная шлицевая втулка, установленная на вале и шлицевом венце соосно ротору с образованием шлицевых подвижных соединений, аналогичных упомянутым, а рабочий орган регулятора взаимодействует с обеими промежуточными втулками. Рабочий орган регулятора выполнен в виде двуплечего рычага, закрепленного на оси, шарнирно связанной с корпусом, а ось размещена между промежуточными втулками и жестко связана с органом управления. Указанные отличительные признаки необходимы и достаточны для достижения поставленной цели. Выполнение ротора охватывающим обеспечивает возможности создания компрессорных и силовых рабочих камер, перепуска рабочего тела и оптимизации фаз газораспределения с использованием дополнительных окон и каналов газораспределения, работы ДВС по двухтактному циклу, что служит повышению мощности и КПД. Дополнительное повышение этих параметров обеспечивает повышение степени сжатия, достигаемое угловым сдвигом второго ротора в направлении, обеспечивающем уменьшение объема камеры сгорания за счет осевого смещения промежуточной шлицевой втулки с винтовыми шлицами, установленной между охватываемым ротором и дополнительным промежуточным валом, а применение рычага для синхронного привода двух шлицевых втулок служит оптимизации степени сжатия при изменении нагрузки и дополнительному улучшению показателей. Двухроторная конструкция двухтактного ДВС значительно проще четырехроторной. Проведенный анализ показал, что заявленное изобретение не известно из уровня техники и относится к новым. Изобретение имеет изобретательский уровень. К числу абсолютно новых отличительных признаков относятся дополнительные шлицевые промежуточные вал и втулка, размещение втулки между ротором и зубчатой передачей. Причем эффективность этих дополнительных элементов неочевидна, хотя и связана с поворотом ротора, присутствующим у прототипа. В отличие от прототипа, осевое смещение дополнительной промежуточной втулки приближает лопатку охватываемого ротора к лопатке охватывающего ротора в силовой камере и, соответственно, удаляет в компрессорной камере при сохранении относительного расположения циклов изменения скоростей движения роторов и рабочего объема. Но при этом не только уменьшается объем камеры сгорания и возрастает степень сжатия, но увеличивается вредный объем компрессорной камеры и уменьшается коэффициент продувки. В результате получается ДВС с переменной степенью сжатия с возрастанием ее величины по мере уменьшения нагрузки, что так трудно достигается в поршневых ДВС на основе КШМ, например, использованием поршня с гидравлически управляемой подвижной головкой и дополнительным способом влияния на наполнение. Совокупность других признаков вместе с новыми служит реализации идей создания роторного ДВС с высокими показателями по рабочему процессу, а по надежности и ресурсу он предпочтительнее Ванкеля ввиду работы уплотнений по поверхности неизменной кривизны. Изобретение практически применимо преимущественно в автомобильном двигателестроении, но может применяться в компрессоростроении при создании компрессоров регулируемых с высоким КПД, необходимых для различных отраслей народного хозяйства. На фиг.1 изображен продольный разрез роторного ДВС; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 сечение В-В на фиг.1; на фиг.5 приведены графически изображенные зависимости углов поворота роторов и объема силовой рабочей камеры от угла поворота выходного вала при сопоставлении результатов регулирования заявленного ДВС и прототипа. Роторный ДВС (фиг.1) содержит неподвижный корпус 1, выполненный полым с окнами 2 впуска и окнами 3 выпуска. Окна соединены с трубопроводами системы впуска и выпуска. В корпусе установлены соосно охватывающий 3 и охватываемый 5 роторы, выполненные (предпочтительно) из металлокерамики. Охватываемый ротор снабжен наружными лопатками 6. Охватывающий ротор выполнен в виде стакана, имеет внутренние лопатки 7, дополнительные окна 8 и 9, расположенные в донной части и взаимодействующие с окнами 2 и 3 корпуса, и каналы 10, расположенные на внутренней цилиндрической поверхности, прилежащей к лопаткам 7. Роторы, взаимодействуя с корпусом торцовыми поверхностями лопаток 6, 7, образуют компрессорные 11 и силовые 12 рабочие камеры (фиг. 2), смежные между собой. Рабочие камеры циклически открыты через окна 8, 9 в окна 2 впуска и окна 3 выпуска порознь и циклически соединяются между собой через канал 10, который становится перепускным каналом при взаимодействии с лопаткой 6 охватываемого ротора. Возможно размещение одноименных рабочих камер в диаметрально противоположных секторах, но это ведет к увеличению неравномерности крутящего момента и хода двигателя. Роторный двигатель также имеет выходной 13, промежуточный 14 валы, выполненные со шлицами 15, 16 и установленные соосно, промежуточную шлицевую втулку 17, установленную на валах с образованием шлицевых подвижных соединений, из которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами (в примере шлицы 15 и взаимодействующие с ними шлицы втулки 17 винтовые), и зубчатую передачу, имеющую некруглые (фиг.3) колеса 18, 19, взаимодействующие между собой в зацеплении и соединяющие охватывающий ротор с промежуточным валом 14. С охватываемым ротором 5 жестко связан шлицевой венец 20 с винтовыми зубьями и соосный ротору. Дополнительные промежуточный вал 21 и промежуточная шлицевая втулка 22, установленная на вале 21 и венце 20 аналогично втулке 17, т.е. с образованием шлицевых подвижных соединений, из которых по меньшей мере одно соединение с винтовыми шлицами, также соосны ротору. Зубчатая передача, имеющая некруглые колеса 23, 24, находящиеся между собой в зацеплении, соединяет дополнительный промежуточный вал 21 с выходным валом. Каждое из зубчатых колес имеет (не показано) закрепленную на диске дополнительную массу, обеспечивающую динамическую уравновешенность привода. Роторный ДВС имеет также регулятор, который состоит из рабочего органа 25, выполненного в виде двуплечего рычага с осью 26 (фиг.4) и ее шарнирами, размещенными между осями шлицевых втулок 17, 22, взаимодействующего с этими втулками, и органа управления 27, который снабжен фиксатором положения 28, выполненным в виде зубчатого сектора и закрепленным на корпусе, и через ось 26 жестко связан с рабочим органом 25. Применение винтовой пары, имеющейся в регуляторе машины-прототипа, возможно, но не целесообразно из-за снижения скорости управляющих воздействий. В торцовой стенке корпуса установлены источники воспламенения 29, выполненные в виде свечи зажигания в ДВС с принудительным зажиганием и в виде форсунки для впрыскивания топлива в дизеле, ориентированные на взаимодействие с силовыми рабочими камерами. ДВС имеет необходимые для работы устройства воздухоснабжения, топливоподачи, воспламенения, отвода отработавших газов, охлаждения и смазывания, аналогичные применяемым на роторных ДВС. В частности, для смазывания поверхностей трения роторов в рабочих камерах применяется масло, добавляемое к топливу в отношении 1:500. Роторный ДВС работает следующим образом. Давление газов в рабочих камерах 11, 12 (фиг.1, 2) действует на лопатки 6 охватываемого 5 и лопатки 7 охватывающего 4 роторов и создает равные по величине и противоположные по знаку моменты газовых сил, приложенные к роторам. Из-за некруглости зубчатых колес 18, 19 и 23, 24 и угловых смещений между соосными колесами (фиг.1 и 3) заданных установкой, радиусы зацепления колес 18 и 24 не одинаковы, а из передаваемых через них моментов больше будет тот, который образован при большем радиусе зацепления. Мгновенное значение суммы моментов, приложенных к роторам, равно нулю в любой момент рабочего процесса, но сумма моментов, действующая на выходной вал 13, циклически изменяется. Изменение уровня давления в силовых рабочих камерах в процессе расширения продуктов сгорания относительно давления в процессе сжатия рабочего тела приводит к образованию за цикл положительного суммарного момента, который вызывает относительно равномерное вращение выходного вала. При этом средние скорости вращения роторов и выходного вала одинаковы, а вращение роторов, всегда однонаправленное, происходит с циклическими изменениями скорости при относительном сдвиге фаз циклов. В результате изменяются синхронно объемы компрессорных и силовых рабочих камер, и в каждой камере совершается свой рабочий цикл. При увеличении объема компрессорной камеры 11 взаимодействуют между собой окна 8 и 2 и происходит впуск. Одновременно в диаметрально противоположной силовой камере 12 происходит сжатие, в конце которого действует источник воспламенения 29, и начинается сгорание. Затем в камерах 12 и 11 происходят, соответственно, рабочий ход и сжатие, причем в конце рабочего хода взаимодействуют окна 9 и 3, обеспечивая выпуск, и лопатка 6 с каналом 10, обеспечивая перепуск заряда из камеры 1 и продувку камеры 12. За оборот входного вала совершаются по два компрессорных и силовых цикла, что служит повышению равномерности хода, увеличению удельной мощности. Для регулирования мощности орган управления 27 освобождают временно от действия фиксатора положения 28 и поворачивают вокруг оси 26 вместе с нею и закрепленным на ней двуплечим рычагом 25. Поворот вызывает осевые смещения промежуточных шлицевых втулок 17, 22. Поскольку одно из шлицевых соединений каждой втулки выполнено с винтовыми шлицами 15 и 20, смещение втулок задает угловые смещения элементам, кинематически связанным с выходным валом через втулки: втулка 17 смещает вал 14, пару зубчатых колес 18, 19 и охватывающий ротор 4, а втулка 22 охватываемый ротор 5 при неизменном фазовом положении промежуточного вала 21 (см. фиг.5). Указанные отличия заданных смещений являются причиной различных результатов регулирования. Втулка 17 задает фазовый сдвиг охватывающему ротору и изменение рабочих объемов компрессорной и силовой камер при соответствующих изменениях мертвого объема и объема камеры сжатия. Причем при уменьшении мощности уменьшением рабочего объема объемы мертвый и камеры сжатия возрастают, а степень сжатия уменьшается. При полной синхронизации вращения роторов рабочие объемы нулевые. Втулка 22 задает начальное положение охватываемому ротору, не изменяя фазы движения, и потому влияет на степень сближения лопаток разноименных роторов при экстремальных положениях, на величину степени сжатия. Результатом совместных действий на относительное положение роторов является увеличение степени сжатия ДВС по мере уменьшения нагрузки, улучшение условий сгорания и повышение КПД. Дополнительными факторами, повышающими КПД, являются оптимизация фаз газораспределения при изменении нагрузки, что позволяют дополнительные окна впуска и выпуска охватывающего ротора, надежность работы источника воспламенения, обеспеченная за счет его размещения в корпусе 1 на поверхности, не перекрываемой днищем ротора 4 и потому хорошо обдуваемой, увеличением длительности процесса сгорания в фазе, протекающей при минимальном объеме камеры сгорания, оптимизация температуры стенок роторов по условиям быстрого и полного сгорания обедненной рабочей смеси, достигаемая, например, за счет использования деталей из металлокерамики, размещения охватывающего ротора в охлаждающей масляной ванне, размещенной в корпусе. Особо следует выделить возможность расслоения заряда в силовой рабочей камере за счет впрыскивания топлива, оптимизации размещения каналов 10. Шлицы 16 промежуточного вала и сопряженные с ними шлицы втулки 17 работают как в обычной компенсационной шлицевой муфте с промежуточным звеном, но могут быть винтовыми и использоваться для оптимизации смещений роторов при регулировании. Применение рычажного регулятора проще, легче и быстрее, что имеет важное значение для ДВС. Заявленный ДВС имеет в одном корпусе силовые и компрессорные рабочие камеры, разделенные лопатками двустороннего действия и, подобно двухтактному поршневому двигателю с кривошипно-камерной продувкой, относится к числу наиболее простых и компактных силовых установок. Причем для преобразования прототипа в такой ДВС достаточны дополнительные окна в стенке стакана и перепускной канал, обеспечивающие золотниковое газораспределение, а для повышения эффективности простейший регулятор-фазосмеситель, выполненный на основе шлицевой компенсационной муфты с промежуточным звеном, и рычажный механизм управления. Это предопределяет достижение цели по упрощению конструкции. Роторный ДВС с соосными роторами имеет уплотнения, работающие по поверхностям неизменной кривизны (цилиндр, плоскость) и потому более надежные и долговечные, чем, например, у ДВС типа Ванкеля. Поэтому конструкция элементов уплотнения может быть более простой. Также просто решаются вопросы уравновешивания, поскольку основные элементы роторы, уравновешены. Дополнительный эффект по упрощению конструкции предполагается в системах воздухоснабжения, топливоподачи и зажигания, взаимосвязанных с используемым принципом регулирования. Изложенное дает представления о преимуществах заявленного роторного ДВС перед прототипом и аналогами и о перспективах приращения преимуществ на основе улучшения рабочего процесса и конструкции. Есть основания ожидать, что по удельной мощности заявленный ДВС превзойдет известные РПД, по топливной экономичности и токсичности отработавших газов он приблизится к дизелю, а по простоте конструкции, надежности и ресурсу не будет иметь себе равных. Поэтому он найдет широкое применение в двигателестроении, в первую очередь автомобильном и мотоциклетном, как в нашей стране, так и за рубежом. Учитывая, что механизмы преобразования движения ДВС, компрессоров, насосов, гидродвигателей и пневмодвигателей объемного типа с поршнями (лопатками) двустороннего действия однотипны, а регулятор с двумя фазосмесителями роторов влияет на объемный коэффициент полезного действия, считаем целесообразным применение заявленной роторной машины в качестве основы для гидромашин различного назначения.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5www.findpatent.ru
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания. Технический результат - повышение мощности двигателя и упрощение управления системой заслонок. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. Внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков. На внешних поверхностях дисков выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы. Диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого. Заслонки попарно размещены около каждой камеры внутреннего сгорания, причем одна из заслонок каждой камеры установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
В современном двигателестроении известны роторные двигатели внутреннего сгорания различного типа. Их можно разделить на роторно-поршневые, роторно-лопастные и собственно роторные двигатели. Роторно-поршневые двигатели содержат поршни и цилиндры, которые объединяются в единый блок либо в виде многолучевой звезды, либо в виде барабана. В звездообразных двигателях каждый поршень имеет ролик, опирающийся на рабочую дорожку, проточенную в виде "восьмерки" на неподвижном силовом кольце, а в центре корпуса расположен неподвижный золотник для подвода рабочей смеси в цилиндры. В двигателях барабанного типа поршни движутся в цилиндрах навстречу друг другу, образуя рабочие камеры переменного объема, а их поступательное движение преобразуется во вращательное движение вала с помощью "косых" шайб. В роторно-лопастных двигателях внутреннего сгорания основными рабочими элементами являются лопасти, которые делят цилиндрическую полость корпуса на четыре замкнутых объема. Для осуществления в них термодинамических процессов лопасти должны совершать сложное движение, которое кроме вращательного состоит также из движения, подобного движениям ножниц. Более простую конструкцию имеют собственно роторные двигатели внутреннего сгорания, в которых переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов образуются рабочими поверхностями ротора и корпуса. Такие двигатели имеют либо внутреннюю полость сложной формы и простой ротор как, например, в двигателях Ванкеля, либо цилиндрическую форму внутренней полости и ротор сложной конструкции с подвижными поршнями (см., например, книгу Гуськова Г.Г. Необычные двигатели. - М. : Знание, 1971 г., авт. св. N 1518555, кл. F 02 B 53/00, 1989). Основным недостатком известных роторно-поршневых и собственно роторных двигателей внутреннего сгорания является небольшой ресурс их работы вследствие быстрого износа рабочих поверхностей, что обусловлено наличием больших центробежных сил, действующих на рабочие элементы двигателя. К недостаткам известных собственно роторных двигателей, кроме того, можно отнести также ненадежную работу уплотнений, неудобную форму камеры сгорания, сложную форму внутренней полости либо сложную конструкцию ротора. Основным недостатком роторно-лопастных двигателей внутреннего сгорания является сложная система управления лопастями. В значительной мере от отмеченных недостатков свободны роторные двигатели с цилиндрической внутренней полостью и простым ротором, переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов в которых образуются с помощью профилирования наружной поверхности ротора и установки системы заслонок в пазах корпуса. Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерой сгорания, снабженной перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. В средней части ротора указанного двигателя выполнен выступ, входящий в кольцевую проточку корпуса, являющуюся рабочей камерой двигателя. Заслонки подразделяются на переднюю, заднюю, разделительную и имеют механизм управления, который снабжен толкателем и двумя двуплечими рычагами, кинематически связанными между собой и с заслонками, причем толкатель установлен в полости корпуса с возможностью взаимодействия с внешней поверхностью ротора, а разделительная заслонка выполнена полой в виде золотникового клапана с возможностью перекрытия впускного канала (см. патент РФ N 2008468, кл. F 02 B 53/00, 1991). К основным недостаткам описанного двигателя внутреннего сгорания можно отнести сложную систему управления заслонками и невысокую мощность, обусловленную тем, что за один оборот ротора в этом двигателе совершается только один рабочий цикл. Целью настоящего изобретения является повышение мощности двигателя и упрощение управления системой заслонок. Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения. Корпус двигателя может быть выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора могут быть установлены кольцевые уплотнения. Заслонки могут быть подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми могут быть образованы каналы для подачи смазывающей жидкости. С целью повышения КПД и улучшения экологических показателей двигателя рабочие объемы в полости расширения могут быть выполнены больше, чем в полости сжатия. С целью обеспечения воздушного охлаждения двигателя диски ротора могут быть снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса могут быть выполнены вентиляционные окна. Разделение внутренней цилиндрической полости корпуса на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, выполнение ротора из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых имеются чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, разворот дисков так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого, попарное размещение заслонок около каждой камеры сгорания, установка одной из заслонок каждой пары в полости сжатия, а другой в полости расширения позволяет в несколько раз повысить мощность двигателя за счет увеличения количества рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора, и упростить управление заслонками до минимума, поскольку для его осуществления не требуется никаких механизмов, кроме пружин, прижимающих их к внешним профилированным поверхностям ротора. Количество рабочих циклов за один оборот ротора и соответственно степень повышения мощности двигателя зависит от количества камер сгорания. При двух камерах за один оборот ротора в предлагаемом двигателе совершается два рабочих цикла, при четырех камерах - восемь, при шести - восемнадцать и т.д. Выполнение корпуса двигателя разборным позволяет существенно упростить технологию его изготовления, а выполнение заслонок из двух профилированных пластинок - достаточно просто обеспечить смазку рабочих поверхностей двигателя. Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ. Устройство предлагаемого двигателя в четырехкамерном карбюраторном варианте показано на фиг. 1, 2, где стрелками показано движение рабочей смеси. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания 2, снабженными перекрывающимися перепускными каналами 3, 4 и источниками воспламенения 5, ротор 6 и систему заслонок 7, 8, установленных в пазах корпуса 1 и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора 6. Корпус 1 выполнен разборным, состоящим из центрального элемента 9, двух статорных элементов 10, 11 с пазами для установки заслонок 7, 8 и двух боковых крышек 12 с местами крепления вала 13 ротора 6. Статорные элементы 10 и 11 образуют самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четыре равномерно размещенных по окружности центрального элемента 9 камеры сгорания 2 с перепускными каналами 3 и 4, а между контактирующими элементами корпуса 1 и ротора 6 установлены кольцевые уплотнения 14. Ротор 6 состоит из двух установленных на общем валу 13 и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков 15 и 16 соответственно, на внешних поверхностях каждого из которых выполнены по два чередующихся с цилиндрическими частями сегментообразных выреза, которые вместе с заслонками 7, 8 образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов. Диски 15 и 16 развернуты относительно друг друга так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого. Заслонки 7 и 8 имеют одинаковую конструкцию и выполнены в виде подвижных подпружиненных профилированных и соприкасающихся пластинок 17 и 18, между которыми образованы каналы 19 для подачи смазывающей жидкости, снабжены перекрывающимися каналами 20 впуска-выпуска и попарно размещены около каждой камеры сгорания 2. При этом заслонки 7 каждой пары установлены в полости сжатия, а заслонки 8 - в полости расширения. Рабочие объемы в полости расширения за счет большей ширины диска 16 ротора 6 выполнены больше, чем рабочие объемы в полости сжатия. Диски 15 и 16 ротора снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости 21, а во внутренних частях центрального элемента 9 и боковых крышек 12 корпуса 1 выполнены вентиляционные окна 22 и 23. Двигатель работает следующим образом. При вращении ротора 6 напротив каждой камеры сгорания 2 поочередно оказываются то сегментообразные вырезы, то цилиндрические части дисков 15 и 16. Когда перед какой-либо камерой сгорания 2 проходит сегментообразный вырез диска 15, то заслонка 7 в полости сжатия опущена, ее канал впуска-выпуска 20 с задней стороны открыт, перепускной канал 3 камеры сгорания 2 со стороны полости сжатия открыт, а перепускной канал 4 со стороны полости расширения закрыт цилиндрической частью диска 16, заслонка 8 в полости расширения поднята, ее канал впуска-выпуска 20 закрыт. В это время в уменьшающемся рабочем объеме, образованном сегментообразным вырезом диска 15 перед заслонкой 7, происходит сжатие рабочей смеси, впущенной в него при прохождении предыдущей заслонки 7, и нагнетание ее в камеру сгорания 2 через перепускной канал 3. Одновременно в увеличивающийся рабочий объем за заслонкой 7 производится впуск свежего заряда рабочей смеси через ее открытый канал 20. Когда следующая за сегментообразным вырезом цилиндрическая часть диска 15 в процессе поворота достигнет рассматриваемой камеры сгорания 2, сжатие рабочей смеси заканчивается и перепускной канал 3 перекрывается цилиндрической частью диска 15 на все время ее прохождения мимо камеры сгорания 2. Заслонка 7 поднимается, ее канал впуска-выпуска 20 перекрывается. В момент перекрытия перепускного канала 3 или несколько раньше производится воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 2 источником воспламенения 5 и начинается процесс ее горения. К этому времени перед рассматриваемой камерой сгорания 2 оказывается сегментообразный вырез диска 16. Заслонка 8 в полости расширения опускается, ее канал впуска-выпуска 20 и перепускной канал 4 камеры сгорания 2 открываются и начинается процесс расширения образовавшихся при горении рабочей смеси газов в увеличивающийся рабочий объем, образованный за заслонкой 8. В процессе расширения совершается полезная работа по вращению ротора 6. Одновременно производится выпуск отработавших в рабочем цикле предыдущей камеры сгорания 2 газов из уменьшающегося рабочего объема перед заслонкой 8 через ее открытый канал впуска-выпуска 20. Расширение продолжается до тех пор, пока сегментообразный вырез диска 16 не достигнет следующей заслонкой 8, через канал 20 которой будет произведен выпуск отработавших в рассматриваемом рабочем цикле газов. При вращении ротора 6 установленные под углом к осям дисков 15 и 16 ребра жесткости осуществляют прокачку воздуха через вентиляционные окна 22 и 23 центрального элемента 9 и боковых крышек 12 корпуса 1, обеспечивая воздушное охлаждение двигателя, а через каналы 19, образованные в заслонках 7 и 8, непрерывно подается смазывающая рабочие поверхности ротора 6 жидкость. Поскольку каждый сегментообразный вырез дисков 15 и 16 за один оборот ротора 6 проходит четыре камеры сгорания 2 и таких вырезов в приведенном варианте двигателя по два, то за один оборот ротора 6 будет совершаться по восемь тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска рабочей смеси, т.е. число полных рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора 6, будет равно восьми. Возможен также вариант двигателя, в котором перекрывающиеся каналы впуска-выпуска выполнены в боковых крышках 12 корпуса 1. Впускные каналы в полость сжатия при этом размещаются за заслонками 7, а выпускные из полости расширения - перед заслонками 8, что позволяет упростить схему газообмена и уменьшить гидравлические сопротивления при впуске-выпуске рабочей смеси. Аналогично устроен и работает двигатель при любом другом количестве камер сгорания и может использоваться как в карбюраторном, так и в дизельном вариантах. В дизельном варианте в рабочие объемы в полости сжатия впускается воздух, а вместо источников воспламенения 5 устанавливаются форсунки для впрыска топлива. В силу полной симметрии двигатель хорошо сбалансирован, не имеет соударяющихся элементов и практически бесшумен. Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ. Повышение КПД двигателя возможно не только за счет осуществления в нем рабочих циклов с продолженным расширением, но и за счет обеспечения горения рабочей смеси при постоянном объеме, что особенно эффективно для дизельного варианта двигателя и может быть легко достигнуто путем разнесения во времени моментов закрытия перепускных каналов камер сгорания со стороны полости сжатия и открытия их со стороны полости расширения. Двигатель содержит небольшое количество создающих трение элементов, вследствие чего имеет невысокий процент механических потерь. Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующие преимущества: в несколько раз большую удельную мощность, чем у известных двигателей; высокую мощность двигателя при небольших оборотах ротора; большой крутящий момент на валу двигателя; большой ресурс работы за счет малого износа рабочих поверхностей двигателя; малые габариты, простую конструкцию двигателя и его основных элементов; простую систему смазки рабочих поверхностей двигателя; высокие термический и эффективный КПД; минимальный шум двигателя.Формула изобретения
1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения. 2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора установлены кольцевые уплотнения. 3. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что заслонки подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми образованы каналы для подачи смазывающей жидкости. 4. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что рабочие объемы в полости расширения выполнены больше, чем рабочие объемы в полости сжатия. 5. Роторный двигатель внутреннего сгорания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диски ротора снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса выполнены вентиляционные окна.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
www.freepatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению. Роторный двухкамерный двигатель внутреннего сгорания содержит ротор, разделительные колеса и шестерни сопряжения, расположенные в неподвижном статоре-картере с впускными, выпускными отверстиями и камерой сгорания. Ротор состоит из двух рабочих колес цилиндрической формы на одном валу. Камера сгорания расположена между этими колесами и за счет формы рабочих колес камера сгорания периодически перекрывается для работы двигателя. Рабочие колеса представляют из себя два сегмента цилиндра разного диаметра, оси которых совмещены с осью вала ротора. Разделительные колеса имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра с общей осью, поверхность большего из которых катится по поверхности меньшего сегмента цилиндра рабочего колеса ротора. Диаметр большего сегмента цилиндра разделительных колес равен диаметру меньшего сегмента цилиндра рабочих колес. Изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение надежности, моторесурса, удельной мощности и КПД двигателя. 4 з.п. ф-лы, 20 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силового агрегата, работающего от энергии внутреннего сгорания топливно-воздушной смеси, в любых машинах и механизмах.
Известны различные конструкции роторных двигателей внутреннего сгорания, но все известные на сегодняшний день конструкции имеют существенные конструктивно-эксплуатационные недостатки, основные из которых - это значительные потери в кривошипно-шатунном механизме, недолговечность роторных двигателей и низкий КПД почти всех конструкций ДВС в результате механических потерь.
Технической задачей изобретения является устранение принципиальных конструктивных недостатков известных двигателей внутреннего сгорания, поршневых, роторных и многочисленных их вариантов и модификаций, а именно прежде всего недостатков кривошипно-шатунного механизма, в котором тепловая энергия сгорания топлива сначала преобразуется в прямолинейное движение поршня, а уже затем со значительными механическими потерями во вращательное движение коленчатого вала. В предлагаемом устройстве двухкамерного роторного ДВС энергия сгорания топлива сразу преобразуется во вращательную энергию вала ротора, то есть расширяясь, рабочие газы сразу давят на плечо ротора, приводя во вращения вал отбора мощности, благодаря чему достигается значительное снижение механических потерь, повышение надежности, устранение шума и вибрации, повышая КПД. В конструкции двухкамерного роторного ДВС применяются простые и надежные детали с цилиндрическими и плоскими поверхностями, которые просты, имеют низкую себестоимость в изготовлении и долгий срок службы.
Еще одной особенностью двухкамерного роторного ДВС является то, что все его детали имеют линейные скорости вращения и как следствие механические потери в этом случае сведены к минимуму. То есть конструкция двухкамерного роторного ДВС такова, что если вал ротора вращается с постоянной скорость (т.е двигатель держит стабильные обороты), то и все его остальные детали движутся без ускорений с постоянной скоростью абсолютно линейно. С точки зрения механики - это механизм, близкий к идеальному. До этого ни один из ДВС известных конструкций не имел таких механических параметров. Во всех известных ранее конструкциях ДВС какие-либо детали из механизма двигателя при постоянной скорости основного вала двигались с ускорениями и нелинейными скоростями.
При работе данного двигателя в его рабочей полости происходят те же химические процессы, что и в рабочей полости цилиндра четырехтактного ДВС, так же присутствует процесс впуска, происходящий при разряжении относительно атмосферного давления, процесс сжатия рабочей смеси, вызывающий ее разогрев, процесс воспламенения от электрической искры и расширение с совершением работы и процесс выпуска отработанных газов путем их выталкивания из рабочей полости в выхлопную систему. Изобретение позволяет с помощью применения новой кинематической схемы и конструкции получить более высокое соотношение мощности и крутящего момента к общей массе агрегата, а также получить более высокий КПД.
Изобретение имеет следующие основные отличительные особенности.
Роторный двухкамерный двигатель внутреннего сгорания содержит ротор с двумя рабочими колесами, разделительные колеса, шестерни сопряжения, расположенные в неподвижном статоре-картере с впускными, выпускными отверстиями и камерой сгорания между рабочими колесами, отличается тем, что ротор состоит из двух рабочих колес цилиндрической формы на одном валу, а камера сгорания расположена между этими колесами и за счет формы рабочих колес, представляющих собой два сегмента цилиндра разного диаметра, оси которых совмещены с осью вала ротора, камера сгорания периодически перекрывается для работы двигателя.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что рабочие колеса ротора имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра, поверхности большего из которых скользят по статору, а поверхности меньших сегментов цилиндра катятся по разделительным колесам.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что впускные, выпускные и перепускные отверстия камеры сгорания открываются и перекрываются самим телом ротора, а именно рабочими сегментами его частей с большим диаметром, и этим в двигателе обеспечиваются функции газораспределительного механизма.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что термодинамические процессы в нем происходят следующим образом: в первой камере двигателя происходит процесс впуска рабочей смеси и ее сжатие, а во второй камере происходит сгорание сжатой смеси с совершением положительной работы и выпуск отработанных газов.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что разделительные колеса и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью и разделительные колеса имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра с общей осью, поверхность большего из которых катится по поверхности меньшего сегмента цилиндра рабочего колеса ротора и данное качение происходит за счет того, что диаметр большего сегмента цилиндра разделительных колес равен диаметру меньшего сегмента цилиндра рабочих колес.
На фиг.1-4 изображен двухкамерный роторный двигатель в двух поперечных разрезах А-А и В-В, а также одном продольном разрезе Б-Б.
На фиг.5 отдельно показана конструкция ротора двигателя, состоящего из вала и двух рабочих колес с шестернями привода разделительных колес.
На фиг.6 и фиг.7 показано трехмерное изображение конструкции ротора.
На фиг.8 показана конструкция разделительного колеса ротора.
На фиг.9-14 изображены процессы, поясняющие принцип работы двухкамерного роторного ДВС, фиг.9 - выпуск, фиг.10 - впуск и сжатие, фиг.11 - выпуск и рабочий ход, фиг.12 - окончание впуска, фиг.13 - рабочий ход, фиг.14 - транспортировка горючей смеси в хону схатия.
На фиг.15-18 конструкция и процесс работы двухкамерного роторного ДВС показана более детально.
На фиг.19 детально показан продольный, горизонтальный разрез двухкамерного роторного ДВС.
На фиг.20 показан продольный, горизонтальный разрез двухкамерного роторного ДВС, имеющего четыре камеры сгорания (аналог рядной четверки).
На фиг.1 и фиг.2 изображена общая схема двигателя. Двигатель содержит корпус-картер (статор) 1 с двумя цилиндрическими полостями для рабочих колес (роторов) 2, соединенных между собой полостью камеры сгорания 3, а также полости разделительных колес 4. Внутренние стенки статора 1 выполнены из высоколегированной, жаропрочной стали, обработаны и отполированы с высокой точностью для более эффективного сопряжения с вращающимися рабочими 2 и разделительными 4 колесами. Рабочие колеса 2 стоят на основном рабочем валу 5, образуя ротор двухкамерного роторного ДВС, разделительные колеса 4 установлены каждое на отдельном валу разделительного колеса 6, которые приводятся во вращение с помощью шестерен привода разделительных колес 7, от рабочего вала 5. В камеру сгорания вворачивается свеча зажигания 8, вся конструкция двигателя крепится на крепежное основание 9 корпуса двигателя 1. Рабочие полости цилиндров закрываются крышками цилиндров 10, замыкая объем цилиндров с торцов. На валах 5 и 6 при помощи шпонок 11 устанавливаются пары шестерен 7 с передаточным отношением один к одному, благодаря чему угловые скорости вращения валов 5 и 6 одинаковы. Полости шестерен 7 привода разделительных колес 4 закрыты крышками 12. Крышки цилиндров 10 и крышки 12 крепятся к статору 1 крепежными ботами или шпильками 13. Рабочий вал 5 и валы разделительных колес 6 вращаются в подшипниках качения 14, смазка к которым подводится через масляные каналы 15. Охлаждение двигателя осуществляется с помощью охлаждающей жидкости, циркулирующей по каналам 16. Двухкамерный роторный ДВС имеет два рабочих колеса 2 ротора, одно из которых выполняет функцию компрессора, а второе - функцию двигательного колеса. Горючая смесь подается к компрессорному колесу ротора через впускное отверстие коллектора с фланцем 17. Отработанные газы удаляются из цилиндра рабочего колеса через выпускной коллектор с фланцем 18. Таким образом на фиг.1 изображено сечение А-А по цилиндру компрессора и сечение Б-Б по ломаной плоскости, представляющее общее продольное сечение двухкамерного роторного двигателя.
На фиг.3 и фиг.4 изображена общая схема с поперечным сечением В-В по рабочему цилиндру двухкамерного роторного двигателя, а также продольное сечение Б-Б, как и на фиг.2. Рабочее колесо 2 вращается в теле статора 1 в полости, представляющей собой цилиндр правильной формы. Стрелками показано направление вращения рабочего и разделительного колес. Рабочее колесо 2 своей наружной цилиндрической поверхностью скользит по внутренней цилиндрической поверхности статора 1 с непосредственным контактом скольжения по всей наружной поверхности, образуя между статором 1, ротором 2 и разделительным колесом 4 рабочие объемы двухкамерного роторного двигателя. Разделительное колесо 4 своей наружной цилиндрической поверхностью 19 катится по внутренней цилиндрической поверхности 20 ротора 2 с непосредственным контактом, осекая таким образом рабочие объемы. Цилиндрические поверхности 19 и 20 имеют одинаковый радиус и так как угловая скорость рабочих и разделительных колес одинакова, за счет того что их валы соединены шестернями 7 одинакового радиуса, разделительное колесо 4 катится своей поверхностью 19 по рабочему колесу 2 без проскальзывания.
На фиг.5-7 отдельно изображен ротор в продольном сечении и в 3D проекции для лучшего понимания геометрических особенностей конструкции. Ротор двухкамерного роторного ДВС представляет собой вал 5 с насаженными на него двумя рабочими колесами, компрессорным колесом 2.1 и рабочим колесом 2.2. На концы рабочего вала 5 в свою очередь устанавливаются шестерни 7, через которые осуществляется привод разделительных колес двухкамерного роторного ДВС. На вал рабочие колеса 2.1, 2.2 и шестерни 7 насажены с использованием шпонок 11. Каждое рабочее колесо 2.1 и 2.2 представляет собой тело с двумя цилиндрическими поверхностями разного радиуса, наружной 20.1 большего радиуса и внутренней 20.2 меньшего радиуса. Наружная цилиндрическая поверхность 20.1 предназначена для прямого фрикционного взаимодействия (скольжения) по внутренней поверхности статора двигателя, внутренняя цилиндрическая поверхность 20.2 предназначена для качения по наружной поверхности 19 разделительного колеса. С торцов рабочие колеса-роторы 2 имеют плоские параллельные поверхности, которые скользят по телу статора и крышкам цилиндров. На соединении наружной 20.1 и внутренней 20.2 цилиндрических поверхностей рабочих колес 2 ротора образуется плоская поверхность 21, взаимодействующая непосредственно с горючей смесью и рабочими газами. Поверхности 21 рабочих колес ротора являются плоскостями приложения основных рабочих нагрузок двигателя. Рабочие колеса 2 установлены на вал 5 таким образом, что уравновешивают друг друга при вращении. То есть колесо 2.1 и колесо 2.2 имеют одинаковый размер, форму и вес и сдвинуты на рабочем валу 5 относительно друг друга на 180 градусов. Однако очевидно, что при изготовлении таких колес, по сути состоящих из двух сегментов цилиндров 22 и 23, одинаковой высоты и разного радиуса, необходимо изготавливать отливку таким образом, чтобы центр тяжести колеса совпадал с осью его вала. На фиг.8 показано, что достигается это, например, наличием внутренних пустот или полостей 24 у полуцилиндра 22 большего радиуса при отливке. Или можно применять материал различного веса при изготовлении таких колес, чтобы сегмент цилиндра 23, колеса меньшего радиуса, весил столько же, как и сегмент цилиндра 22, колеса большего радиуса. На фиг.8 показана конструкция рабочих колес двигателя. Рабочее колесо представляет собой форму, которую условно можно разделить на два сегмента цилиндра большего и меньшего радиуса, оси которых совпадают и являются осью рабочего колеса, в центре которого имеется отверстие для вала ротора со шпонкой. Причем сегмент цилиндра большего радиуса имеет угол сегмента менее 180 градусов, для того чтобы обеспечить совместное беспрепятственное вращение с разделительным колесом, имеющим такую же форму, но меньший масштаб.
На фиг.9-14 изображены основные рабочие процессы двухкамерного роторного двигателя внутреннего сгорания. На фиг.9 и фиг.10 (цикл впуска, сжатия и выпуска отработанных газов) одномоментно показаны два поперечных сечения двигателя: сечение по рабочему цилиндру (вверху) и сечение по цилиндру компрессора (внизу). Данные сечения двигателя идентичны сечениям А-А и В-В на фиг.1 и фиг.3. То же касается и фиг.11-14. По времени фиг.9-10, фиг.11-12, фиг.13-14 отстоят друг от друга на период поворота вала двигателя примерно 120 градусов. Таким образом полный цикл работы двухкамерного роторного ДВС совершается за один оборот вала или 360°.
Двигатель работает следующим образом: на фиг.9 рабочее колесо ротора, вращаясь, осуществляет вытеснение 25 (выброс) отработанных газов из рабочего цилиндра в выпускной коллектор. При этом рабочее колесо ротора своим телом перекрывает 26 камеру сгорания со стороны компрессорного колеса. В этот самый момент компрессорное колесо ротора на фиг.10 осуществляет наполнение 27 двигателя горючей смесью из впускного коллектора, а противоположной своей частью компрессорное колесо ротора осуществляет сжатие 28 предварительно наполненной горючей смеси в камеру сгорания, которая с обратной стороны заперта рабочим колесом. Таким образом, на фиг.9-10 показаны одновременно происходящие процессы впуска, сжатия и выброса отработанных газов.
На фиг.11-12 (цикл впуска, начала рабочего хода и выпуска отработанных газов) валы двигателя провернулись примерно на 120 градусов от положений, показанных на фиг.9-10. На фиг.11 показано, как рабочее колесо ротора завершает процесс выпуска 25 отработанных газов в выпускной коллектор, а другая часть рабочего колеса, открыв камеру сгорания, совершает рабочий ход 29 со сгоранием предварительно сжатой и воспламененной горючей смеси. С обратной стороны в этот момент камера сгорания заперта телом компрессорного колеса ротора, поэтому в данный момент рабочие газы, сгорая, 29 вращают весь двигатель, в целом воздействуя при расширении на плече рабочего колеса. Компрессорное колесо ротора в момент, изображенный на фиг.12, заканчивает процесс впуска 27 свежей горючей смеси из впускного коллектора, при этом компрессорное колесо своим телом перекрывает 26 камеру сгорания, в которой происходит рабочий ход со стороны рабочего колеса ротора. Воспламенение горючей смеси в двухкамерном роторном ДВС происходит от свечи, установленной в камере сгорания статора, в момент когда компрессорное колесо завершает сжатие и перекрывает 26 полностью камеру сгорания своим телом, не допуская обратного давления газов при их воспламенении. Данный момент не показан на чертежах ввиду своей очевидной тривиальности.
На фиг.13-14 (завершение впуска, выпуска с продолжением рабочего хода) валы двигателя провернулись еще на 120 градусов и на фиг.13 рабочее колесо, завершив выпуск, своим телом заперло 30 выпускной коллектор, а рабочий ход со сгоранием горючей смеси 29 завершается. На фиг.14 показано, как компрессорное колесо, завершив процесс впуска, своим телом заперло 30 впускной коллектор и осуществляет перемещение 31 рабочей смеси по цилиндру для последующего сжатия. При этом компрессорное колесо своим телом продолжает запирать 26 камеру сгорания, в которой со стороны рабочего колеса завершается рабочий ход. На данной фиг.14 видно, что разделительное колесо повернулось в положение, при котором оно перестает взаимодействовать (катиться) по колесу ротора, и между разделительным колесом и компрессорным колесом ротора образовался рабочий зазор 32. Таким образом, двигатель является четырехтактным ДВС и работает за счет тех же химических процессов окисления топлива, что и классический поршневой ДВС. Особенностью и явным преимуществом данной конструкции по сравнению с другими ДВС является отсутствие какого бы то ни было газораспределительного механизма. Вся система газораспределения состоит из впускного отверстия и отверстия для выпуска отработанных газов в теле статора. Автор исходит из того, что для работы двигателя необходима такая же горючая смесь, как и для поршневых ДВС, поэтому система подготовки горючей смеси в данном описании не рассматривается.
На фиг.15-18 более детально отображены конструктивные особенности двухкамерного роторного ДВС. На фиг.15 и фиг.16 изображены два разреза В-В по рабочим колесам с разницей в положении валов 180 градусов и происходящие при этом процессы. Свеча зажигания 8 для большей наглядности тоже показана, но она не находится в плоскости данных сечений и располагается впереди рисунков в камере сгорания. На фиг.15 виден процесс рабочего хода 29 и вытеснения отработанных газов 25, показано пятно контакта 33 качения рабочего и разделительного колес. Для уменьшения потерь разделительное колесо скользит по статору не по всей дуге цилиндра, а по ограниченным запирающим цилиндр областям 34. На фиг.16 валы провернулись на 180 градусов и сгоревшая рабочая смесь перемещается 31 к выпускному коллектору 18. Между рабочим и разделительным колесом образовался зазор 32 и в таком положении рабочее и разделительное колесо, вращаясь с одинаковой угловой скоростью, между собой не взаимодействуют. На фиг.17-18 показаны идентичные детали и процессы, как и на фиг.15-16, но в разрезе для компрессорного колеса двухкамерного роторного ДВС. Фиг.17 и фиг.18 сечения А-А имеют разницу в положении вращающихся деталей 180 градусов. Корпус статора с полостью для разделительного колеса рабочей части ротора показан на заднем плане и оттенен для большей наглядности рисунка. В верхнем сечении А-А показан процесс впуска и сжатия рабочей смеси, в момент когда камера сгорания перекрыта рабочим колесом, в нижнем сечении А-А уже компрессорное колесо со своей стороны перекрывает камеру сгорания и перемещает по цилиндру рабочую смесь для последующего сжатия. На фиг.15-18 показано, как рабочие колеса 2 скользят 35 с непосредственным контактом всей плоскости наружной цилиндрической поверхности по телу статора 1, а также путем непосредственного прилегания рабочих колес 2 и внутренней поверхности статора 1 выполняется запирание 26 впускного 17, выпускного 18 коллекторов. На фиг.18 показано, что разделительные колеса 4 в полостях замкнутого объема статора 1 не касаются тела статора и между колесами 4 и статором 1 образуется зазор 36. Выполнено это для уменьшения потерь на трение и осуществления перетекания газов по замкнутому внутреннему объему полости разделительных колес 4 при их вращении. На фиг.15 и фиг.17 показаны одинаковые радиусы 37 сегментов цилиндров колес 2 и 4, что при одинаковой угловой скорости их вращения обеспечивает возможность качения без проскальзывания в точке контакта 33.
На фиг.19 (простейший двухкамерный роторный ДВС) в деталях показана конструкция двухкамерного роторного ДВС, имеющего одну камеру сгорания, одну свечу зажигания, и один комплект движущихся деталей - колес, валов, шестерен. Таким образом, данная конструкция двухкамерного роторного ДВС является простейшей и идентична по функциональности одноцилиндровому классическому двигателю внутреннего сгорания с одним поршнем и одним цилиндром.
На фиг.20 изображен пример более сложной конструкции двухкамерного роторного ДВС, который имеет четыре камеры сгорания, четыре свечи зажигания и четыре комплекта колес для каждой из камер (цилиндров). В такой конструкции двигателя мы видим, что количество валов осталось (как и в случае с простейшим двухкамерным роторным ДВС на фиг.19) равным трем. Не изменилось и количество шестерен привода валов. Таким образом эффективность конструкции удается повысить еще за счет того, что соотношение литрового объема двигателя к его массе более выгодно, чем в конструкции, изображенной на фиг.19. По функциональности данная конструкция идентична классическому четырехцилиндровому ДВС, но имеет на порядок более высокий КПД, низкую себестоимость и значительно больший ресурс.
Подведя итог можно сказать, что в предложенном двухкамерном роторном двигателе работа воспламененной сгорающей горючей смеси направлена непосредственно на совершение вращательного движения самого рабочего вала ДВС, что позволяет уйти от таких негативных процессов, присутствующих в традиционных двигателях, как вибрация или ударные воздействия, и что в конечном итоге значительно увеличивает срок его службы (моторесурс). Соотношение литровой мощности к массе и габаритам двигателя значительно более выгодное, чем у поршневых двигателей и роторных конструкций Ф. Ванкеля. Двигатель, по сравнению с традиционными поршневыми, имеет малое количество деталей, что снижает себестоимость его производства, упрощает эксплуатацию и ремонт.
1. Роторный двухкамерный двигатель внутреннего сгорания, содержащий ротор с двумя рабочими колесами, разделительные колеса, шестерни сопряжения, расположенные в неподвижном статоре-картере с впускными, выпускными отверстиями и камерой сгорания между рабочими колесами, отличающийся тем, что ротор состоит из двух рабочих колес цилиндрической формы на одном валу, а камера сгорания расположена между этими колесами и за счет формы рабочих колес, представляющих из себя два сегмента цилиндра разного диаметра, оси которых совмещены с осью вала ротора, камера сгорания периодически перекрывается для работы двигателя.
2. Роторный двухкамерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие колеса ротора имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра, поверхности большего из которых скользят по статору, а поверхности меньших сегментов цилиндра катятся по разделительным колесам.
3. Роторный двухкамерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что впускные, выпускные и перепускные отверстия камеры сгорания открываются и перекрываются самим телом ротора, а именно рабочими сегментами его частей с большим диаметром, и этим в двигателе обеспечиваются функции газораспределительного механизма.
4. Роторный двухкамерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что термодинамические процессы в нем происходят следующим образом: в первой камере двигателя происходит процесс впуска рабочей смеси и ее сжатие, а во второй камере происходит сгорание сжатой смеси с совершением положительной работы и выпуск отработанных газов.
5. Роторный двухкамерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что разделительные колеса и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью и разделительные колеса имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра с общей осью, поверхность большего из которых катится по поверхности меньшего сегмента цилиндра рабочего колеса ротора, и данное качение происходит за счет того, что диаметр большего сегмента цилиндра разделительных колес равен диаметру меньшего сегмента цилиндра рабочих колес.
www.findpatent.ru
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в роторном двигателе внутреннего сгорания, который содержит корпус с рабочей полостью, входное и выходное окна, турбонагнетатель, причем в полости размещен круглый ротор на валу, а в роторе смонтированы не менее одной, перемещающейся в радиальном направлении лопасти. Рабочая полость выполнена цилиндрической формы, в полости размещен цилиндрический ротор на эксцентрично установленном валу, в роторе выполнены выемки, по числу рабочих лопастей. Двигатель снабжен системой сжатия топливо-воздушной смеси и передачи заряда в камеру сгорания, состоящей из запорного устройства, устройства сжатия и уплотнения, размещенных на цилиндрической поверхности рабочей полости, на участке наибольшего приближения ротора к боковой поверхности рабочей полости. Рабочая полость может быть образована пересекающимися цилиндрическими полостями в количестве от двух до пяти. В полостях, при этом, размещены параллельные валы с роторами, связанные синхронизирующей передачей, причем ведущие валы расположены в рабочей полости эксцентрично, ведомый вал расположен в центре полости, на ведомом роторе выполнены выемки по числу пропускаемых рабочих лопастей. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания.
Известны следующие роторные двигатели внутреннего сгорания. Роторный двигатель внутреннего сгорания [1] содержащий первую, вторую и третью цилиндрические рабочие камеры, в каждой из которых расположен ротор. Первые камера и ротор действуют как компрессор, вторая камера и ротор функционируют как камера сгорания, и третья камера и ротор действуют в качестве двигателя, используя газы, поступающие из второй камеры. Данный ДВС имеет следующие недостатки: рабочие процессы разорваны, выполняются последовательно в трех камерах, двигатель сложен, низок КПД. Роторный ДВС с двумя смежными цилиндрическими камерами [2] Этот двигатель содержит камеру сжатия и камеру расширения в общем корпусе, элементы соединения обеспечивают синхронность вращения роторов в камерах. Сжатая ТВС передается из камеры сжатия в камеру расширения по каналу с заслонкой. Предусмотрены элементы открытия и закрытия заслонки, а также элементы зажигания горючей смеси. Этот роторный ДВС имеет также недостатки. Разорваны процессы, одна камера компрессор, вторая камера расширения. Сложна система закрытия канала передачи сжатой смеси заслонкой. Сложен механизм синхронизации движения роторов, т. к. он должен состоять из минимально трех шестерен, что обеспечивает встречное движение роторов в камерах. Ближайшим из аналогов является роторный двигатель внутреннего сгорания [3] содержащий корпус, образующий кожух эллиптической формы, в котором расположен фактически круглый ротор. Ротор делит кожух на камеру первичного сжатия и камеру сгорания. В роторе смонтирована по меньшей мере одна перемещающаяся в радиальном направлении лопасть, проходящая через каждую камеру при вращении ротора. Воздух и газ поступают в камеру первичного сжатия через вход, а отработавшие газы удаляются из камеры сгорания через выход для приведения в действие турбонагнетателя. Между камерой первичного сжатия и камерой сгорания расположено компрессорное устройство. Воздух, выходящий из камеры первичного сжатия, сжимается компрессорным устройством и подается в камеру сгорания. Компрессорное устройство содержит роторный компрессор и соединенный с ним вращающийся клапан или отдельную компрессорную полость, имеющую соответствующий приводимый в действие кулачком клапан вблизи ее входного и выходного концов. Этот роторный ДВС имеет следующие основные недостатки: сложен корпус-кожух эллиптической формы, в результате чего рабочие лопасти в пазах при одном обороте ротора совершают по два выдвижения и вдвижения, имеет компрессор, что усложняет его конструкцию, увеличивает его вес и размеры, снижает КПД. Задачей предлагаемого изобретения является улучшение конструкции ДВС, устранение компрессора, снижение веса, повышение КПД, улучшение очистки полостей от остаточных газов и повышение эффективности наполнения. Для этого в предложенном двигателе рабочая камера исполняется цилиндрической формы, в которой помещается ротор также цилиндрической формы на эксцентрично установленном валу, с которого снимается мощность. Ротор меньшего размера (диаметра), чем рабочая полость и максимально приближен к боковой поверхности рабочей камеры в нижней части, где установлены элементы устройств закрытия полости, сжатия ТВС и уплотнения, делящего рабочую полость на два участка, эти устройства в совокупности выполняют функции компрессора. В роторе смонтирована по меньшей мере одна перемещающаяся по одному разу, вдвижения и выдвижения за оборот, в радиальном направлении лопасть, имеющая уплотнение, проходящая при круговом вращении ротора по рабочей полости. Воздух и ТВС всасываются и сжимаются лопастью в рабочей полости в левом участке, сжигание смеси с помощью свечи зажигания, расширение и выпуск отработавших газов происходит на правом участке. Всасывание воздуха и ТВС и выпуск газов производится через впускное и выпускное окна. Устройство сжатия ТВС, выполняющие функции компрессораю, состоят из: а) треугольного углубления, выполненного на боковой поверхности рабочей полости, в котором шарнирно установлен элемент для закрытия камеры сжатия, внутренняя поверхность элемента поджата пружиной. При прохождении лопасти, подающей сжатую ТВС в камеру сжатия, запорный элемент закрывает камеру, препятствуя выходу в полость сжатой смеси; б) собственно камеры сжатия, состоящей из канала, поршня и поджимающей его пружины, при поступлении в камеру сжатия заряда ТВС, поршень отжимается, выравнивая давление до заданного, во избежание самовоспламенения и при перемещении лопасти через уплотнение поршень с пружиной выравнивают давление ТВС в камере и особенно при концентрации заряда в выемке на роторе, которая одновременно является и камерой сгорания; в) уплотнения, разделяющего рабочую полость на два участка. На боковой цилиндрической поверхности ротора, на участке после лопасти, по числу рабочих лопастей выполняются выемки, в которых при вращении в левой части рабочей полости концентрируется сжатая ТВС, а в правой части в камере сгорания сжигается смесь при помощи свечи, а также рабочего хода. Такое выполнение роторного ДВС улучшает конструкцию, уменьшает его вес, устраняет компрессор, повышает КПД. На фиг.1 показан схематично описываемый двигатель. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с рабочей цилиндрической формы камерой, в которой эксцентрично расположен вал 7, с которого снимается мощность и на котором установлен ведущий круглый, цилиндрической формы ротор 6. На роторе 6 установлены рабочие лопасти 4 с уплотнениями и выполнены выемки 9, образующие камеры сжатия и сгорания. На корпусе 1 имеются впускные 3,8 и выпускные 2 окна. В нижней части рабочей полости корпуса 1, на участке наибольшего приближения ротора к стенке камеры, расположены элементы устройства сжатия ТВС и свеча зажигания 5 или форсунка. Устройства сжатия ТВС состоят из: а) треугольного углубления, выполненного на боковой поверхности рабочей полости, в котором шарнирно установлен элемент 12 для закрытия камеры сжатия, внутренняя поверхность элемента поджата пружиной; б) собственно камеры сжатия 10, состоящей из канала, поршня и поджимающей его пружины; в) уплотнения 11, разделяющего рабочую полость двигателя на два участка. При работе двигателя, при вращении ротора 6, лопасти 4 всасывают ТВС в рабочую полость через окно 3, сжимают ее и подают заряд в камеру сжатия 10, где с помощью поршня и поджимающей его пружины поддерживается заданное давление в камере. Запорное устройство 12 при прохождении лопасти 4, запирает лопасть, сжатая ТВС концентрируется между запорным устройством 12 и уплотнением 11, также в камере 10. При дальнейшем движении ротора 6 и лопасти 4 заряд концентрируется в выемке 9 на роторе в которой заряд перемещается в правую половину полости через уплотнение 11. Далее заряд воспламеняется в камере сгорания 9 между уплотнениями 11 и лопастью 4 с помощью свечи 5 или форсунки. Рабочий ход длится до прохождения рабочей лопасти 4 выпускного окна 2, через которое отработавшие газы выпускаются для приведения в действие нагнетателя. Рабочая полость очищается от остаточных газов потоком воздуха, вдуваемым в полость нагнетателем через окно 8 и выходящем из полости через окна 2. ТВС через окно 3 и воздух через окно 7 подается от одного нагнетателя. При вращении ротора все процессы повторяются. Двигатель может быть выполнен в виде нескольких однотипных секций, установленных на общем валу. В этом случае для повышения равномерности крутящего момента желательно смещать на некоторый угол каждый последующий ротор относительно предыдущего или смещать расположение устройств сжатия. Также может быть выполнен роторный ДВС (фиг.2), в котором с целью полной очистки рабочей полости от остаточных газов и повышения эффективности наполнения в корпусе 1 располагается рабочая камера, образованная двумя пересекающимися цилиндрическими полостями, два параллельных вала 7, 13, ведущий из которых расположен эксцентрично, связанных синхронизирующей шестеренчатой передачей, снабженных взаимно сопряженными роторами-ведущим 7 и ведомым 14. На ведомом роторе 14 выполнены выемки 15 для пропуска рабочих лопастей 4 при вращении роторов. При вращении роторы прижаты цилиндрическими поверхностями друг к другу, ведомый ротор 14 разделяет рабочую полость на два участка, в левом участке проходят поцессы всасывания-сжатия ТВС, в правом участке рабочий ход выхлоп. Предложенный двигатель может быть выполнен с различным числом рабочих лопастей (от одной до четырех) ведущего и соответственно выемок ведомого роторов, что зависит от требуемой мощности двигателя. На фиг. 3 показана схема устройства роторного ДВС с расположением двух рабочих камер и роторов и одного ведомого ротора с общей рабочей полостью образованной тремя пересекающимися цилиндрическими полостями. На фиг. 4 показана схема выполнения роторного ДВС с расположением трех рабочих камер и роторов и одного ведомого ротора в общей рабочей полости, образованной четырьмя пересекающимися цилиндрическими полостями. На фиг.5 показана схема выполнения роторного ДВС с расположением в общей рабочей полости четырех рабочих камер и роторов и одного ведомого ротора. Общая рабочая полость образуется пятью пересекающимися цилиндрическими полостями рабочих и ведомого роторов.Формула изобретения
1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей полостью, в которой размещены круглый ротор на вале, в роторе смонтированы не менее одной, перемещающейся в радиальном направлении лопасти, входное и выходное окна, турбонагнетатель, отличающийся тем, что рабочая полость выполнена цилиндрической формы, в которой размещен цилиндрический ротор на эксцентрично установленном вале, в роторе выполнены выемки по числу рабочих лопастей, двигатель снабжен системой сжатия топливовоздушной смеси и передачи заряда в камеру сгорания, состоящей из запорного устройства, устройства сжатия и уплотнения, размещенных на цилиндрической поверхности рабочей полости на участке наибольшего приближения ротора к боковой поверхности рабочей полости. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе выполнена рабочая полость, образованная двумя пересекающимися цилиндрическими полостями, в которых размещены два параллельных вала с роторами, связанных синхронизирующей передачей, взаимно сопряженными, ведущий вал расположен в рабочей полости эксцентрично, ведомый вал расположен в центре полости, на ведомом роторе выполнены выемки по числу пропускаемых рабочих лопастей. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе выполнена рабочая полость, образованная тремя пересекающимися цилиндрическими полостями, в которых размещены три параллельных вала с роторами, связанных синхронизирующей передачей, взаимно сопряженными, два ведущих вала расположены в рабочих полостях эксцентрично, ведомый вал расположен в центре полости, на ведомом роторе выполнены выемки по числу пропускаемых рабочих лопастей. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе выполнена рабочая полость, образованная четырьмя пересекающимися цилиндрическими полостями, в которых размещены четыре параллельных вала с роторами, связанных синхронизирующей передачей, взаимно сопряженными, три ведущих вала расположены в рабочих полостях эксцентрично, ведомый вал расположен в центре полости, на ведомом роторе выполнены выемки по числу пропускаемых рабочих лопастей. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе выполнена рабочая полость, образованная пятью пересекающимися цилиндрическими полостями, в которых размещены пять параллельных валов с роторами, связанных синхронизирующей передачей, взаимно сопряженными, четыре ведущих вала расположены в рабочих полостях эксцентрично, ведомый вал расположен в центре полости, на ведомом роторе выполнены выемки по числу пропускаемых рабочих лопастей.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5www.findpatent.ru
Использование: для повышения экономичности, компактности, долговечности и упрощения конструкции роторных ДВС для объектов энергомашиностроения, тепловозов, судов, тракторов и автомобилей. Сущность изобретения: в корпусе эксцентрично установлен ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти. Ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, а лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции. Внутренние поверхности деталей двигателя покрыты слоем карбида кремния. Все это позволяет двигателю работать эффективно без принудительного охлаждения и жидкой смазки. Наличие в теле ротора между пазами камер сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений позволяет организовать эффективное сгорание топлива за счет вихревого движения заряда и снизить потери при переносе массы газа вращающимся ротором. 1 з. п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторным двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.
Известно много конструкций роторных двигателей внутреннего сгорания: двигатель Кули (США), Амплебая (Англия), Валиндера и Скоога (Швеция), Ванкеля (ФРГ). Эти двигатели не получили широкого распространения из-за кинематической и технологической сложности, трудности уплотнения, охлаждения, смазки и смесеобразования. Все эти недостатки снижают надежность, моторесурс, экономичность двигателя. Прототипом выбрана конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками, эксцентрично установленный в корпусе ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти, а также системы топливоподачи и газообмена. Недостатком данной конструкции является чрезмерно сложное и громоздкое устройство ротора с внутренними полостями, приводом из зубчатой передачи и кулачковыми распредвалами, а также сложной системой газораспределения, уплотнения и охлаждения. Все это снижает надежность и экономичность двигателя, удорожает его изготовление, сборку, регулировку. Целью изобретения является повышение экономичности, компактности и упрощение конструкции. Указанная цель достигается за счет того, что роторный двигатель внутреннего сгорания имеет сплошной ротор с двумя или более лопастями, между которыми в роторе выполняются камеры сгорания сферического или цилиндрического типа, цилиндрический ротор эксцентрично расположен в цилиндрическом корпусе. Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания организован таким образом, что процесс сжатия происходит при вращении ротора в полости между двумя соседними лопастями, включающей полость камеры сгорания, а процесс горения происходит, в основном, в полости камеры сгорания, а также в полости между лопастями при их положении максимального сжатия порции рабочего тела. Крутящий момент на валу ротора создается за счет разности сил давления газов на более выдвинутую и менее выдвинутую лопасти. Процесс смесеобразования происходит в камере сгорания цилиндрической или сферической формы, а также в пространстве между лопастями с образованием вихревого движения топливного факела или топливовоздушной смеси. Предлагаемая конструкция роторного двигателя и способ его работы может реализовать как четырехтактный, так и двухтактный цикл двигателя внутреннего сгорания (дизельного или карбюраторного). На фиг. 1 и 2 показаны продольное и поперечное сечение роторной машины, выполненной в виде четырехтактного двухлопастного двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 3-11 - порядок работы двигателя и процессы, протекающие в двигателе за два полных оборота ротора; на фиг. 12 - поперечное сечение роторного двигателя, выполненного в виде двухтактного четырехлопастного роторного двигателя внутреннего сгорания. Роторный двигатель в виде четырехтактного двухлопастного ДВС (фиг. 1 и 2) включает неподвижный цилиндрический корпус (статор) 1, эксцентрично расположенный ротор 2 с лопастями 3, две торцевые крышки 4 с подшипниками 5 вала 6 ротора 2, впускные 7 и выпускные 8 клапаны, распределительные валы 9,10, топливную форсунку 11, впускной коллектор 12, выпускной коллектор 13, топливный насос высокого давления, турбо- либо приводной нагнетатель, агрегаты привода вспомогательных систем (не показаны). Вместо форсунки может быть установлена свеча зажигания, а вместо топливного насоса высокого давления - карбюратор. В роторе 2 выполнены камеры сгорания 14 сферической или цилиндрической формы и радиальные пазы 15 для перемещения лопастей 3. Роторный двигатель состоит из корпуса 1 с размещенными в нем клапанами 7 и 8, топливной форсункой 11 (либо свечой зажигания) и смонтированными на нем распределительными валами 9,10, топливным насосом высокого давления (либо карбюратором), нагнетателем воздуха, впускным коллектором 12 и выпускным коллектором 13. К корпусу 1 крепятся торцевые крышки 4, в подшипниках 5 установлен вал 6 эксцентрично расположенного по отношению к корпусу ротора 2. В роторе 2 в радиальных пазах размещены лопасти 3. В роторе между радиальными пазами выполнена камера сгорания сферической или цилиндрической формы. Процессы, происходящие с рабочим телом, обозначены на фиг. 3-11 следующим образом: I - наполнение; II - сжатие; III - рабочий ход; IV - выпуск. Рабочий цикл организован следующим образом. При повороте ротора по часовой стрелке в начальный момент времени открыты впускные и выпускные клапаны и происходит продувка нижней полости (фиг. 3). При дальнейшем повороте ротора начинается процесс наполнения I левой полости (фиг. 4) при давлении Pa или Рн. Процесс наполнения I заканчивается при повороте ротора на 180о (фиг. 5). При этом в нижней полости (фиг. 5) происходит продувка. В течение следующих 180оповорота ротора выпускной клапан закрыт и в правой полости (фиг. 6) происходит процесс сжатия II. В левой полости (фиг. 6) происходит процесс наполнения I. Процессы сжатия II до давления Pb и наполнения I заканчиваются при повороте ротора на 360о от начального положения (фиг. 7). При этом закрывается впускной клапан, производится впрыск топлива (или воспламенение топливовоздушной смеси от свечи зажигания), воспламенение и горение топливовоздушной смеси (фиг. 7), повышение давления до максимального давления сгорания Pz. При следующих 180о поворота ротора в левой полости (фиг. 8) происходит расширение продуктов сгорания - рабочий ход III, давление снижается до Pb. В правой полости (фиг. 8) происходит процесс сжатия II. Эти процессы заканчиваются при повороте ротора на 540о от начального положения (фиг. 9). В этот момент в нижней полости (фиг. 9) происходит впрыск топлива, воспламенение и горение топливовоздушной смеси другой порции. В течение следующих 180о поворота ротора открывается выпускной клапан, в правой полости (фиг. 10) происходит процесс выпуска отработавших газов IV, а в левой полости (фиг. 10) - рабочий ход III. При этом цикл роторного четырехтактного двухлопастного ДВС завершается (фиг. 11) и начинается новый. На фиг. 12 показано поперечное сечение роторного двигателя в виде двухтактного четырехлопастного роторного ДВС, включающего неподвижный цилиндрический корпус (статор) 1, торцевые крышки с подшипниками (не показаны), эксцентрично расположенный ротор 2 с углублениями 16 и прорезями 17, лопасти 3, вал 6 ротора, каналы 18,19 газораспределения, коллекторы 20,21 воздухоснабжения и газоотвода, форсунку 11 (либо свечу зажигания), топливный насос высокого давления с механизмом привода либо карбюратор (не показаны). Роторный двигатель состоит из цилиндрического корпуса 1 с размещенными в нем каналами 18,19 газораспределения и топливной форсункой 11 (либо свечой зажигания). К корпусу при помощи шпилек крепятся торцевые крышки с подшипниками (не показаны). В подшипниках устанавливается вал 6 ротора 2 эксцентрично по отношению к корпусу. В роторе выполнены прорези 17 для перемещения в них лопастей 3. Между лопастями в корпусе ротора выполняются камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений 16. К корпусу крепятся коллекторы 20,21, топливный насос высокого давления (либо карбюратор) и приводной или турбонагнетатель (не показаны). Работа роторного двигателя происходит в следующем порядке. При вращении ротора по часовой стрелке в момент совмещения полости между лопастями с каналом 19 происходит наполнение полости свежим зарядом воздуха при давлении Pa или Рн, продувка полости и частичная потеря заряда через канал 18. После того, как полость перестанет сообщаться с каналом 18 продолжается только процесс наполнения. Когда полость между лопастями перестает сообщаться с каналом 19, начинается процесс сжатия, продолжающийся 120-130о поворота ротора и заканчивающийся при достижении положении (с) минимального объема полости между лопастями (на фиг. 12 - в нижнем положении) с повышением давления до Рс. В этот момент через форсунку 11 впрыскивается порция топлива (либо поджигается топливовоздушная смесь от свечи зажигания), после чего происходит процесс сгорания топлива c-z с повышением давления до Рz и последующим процессом расширения z-b до начала открытия каналов 18. Процесс расширения продолжается в течение 120-130о поворота ротора до давления Pb. При открытии каналов 18 происходит процесс выпуска отработавших газов b-a с падением давления от Pb до Pa. При дальнейшем повороте ротора полость соединяется с каналами 19, цикл заканчивается и начинается новый. Аналогичные процессы повторяются в других соседних межлопастных рабочих объемах. Таким образом, в двухтактном четырехлопастном роторном двигателе за один оборот двигателя происходит четыре вспышки и четыре рабочих цикла. При n лопатках при полном обороте двигателя происходит n впрысков топлива и соответственно n рабочих циклов. При изготовлении цилиндров, роторов из керамики или углерод-углеродных композитов, а пластин лопастей из графитовых композитов роторный двигатель может работать эффективно без принудительного охлаждения и без жидкостной смазки. При использовании углерод-углеродных композитов с низким значением коэффициента температурного расширения (до 10-7) для повышения срока службы внутренняя поверхность цилиндра, наружная поверхность ротора могут быть покрыты окислозащитной пленкой из пиролитического углерода, карбида кремния и др. Технико-экономическая эффективность предлагаемой конструкции роторной машины заключается в том, что за счет упрощения конструкции и способа работы, организации воспламенения во внутренней межлопастной полости и камере сгорания и вихревого движения заряда, снижения массогабаритных характеристик повышается экономичность двигателя, увеличиваются надежность и моторесурс. Предложенная конструкция роторной машины является перспективной для транспортных и аварийно-спасательных систем в связи с резко уменьшенными массогабаритными характеристиками (в 5-10 раз) по сравнению с поршневыми традиционными двигателями в металлическом исполнении. Примером предложенной конструкции двигателя внутреннего сгорания является опытный роторный двигатель марки РПД-4-
с диаметром цилиндра 150 мм, диаметром ротора 120 мм, установленный с эксцентриситетом 12 мм с четырьмя лопастями, выполненными из углерод-углеродного композита.Формула изобретения
1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками, эксцентрично установленный в корпусе ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти, а также системы топливоподачи и газообмена, отличающийся тем, что ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность ротора, внутренняя поверхность корпуса и боковые поверхности пластин дополнительно покрыты слоем карбида кремния.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12www.findpatent.ru
