роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с соосно расположенными внутренними рабочими цилиндрическими полостями, разделенными поперечной стенкой и закрытыми боковыми подвижными стенками, установленные на валу роторы, размещенные эксцентрично в полостях с возможностью касания по образующей с их цилиндрическими поверхностями и по торцевым поверхностям - с поперечной и боковыми стенками, и радиальные лопатки, кинематически связанные с сопряженными пазами роторов и корпусом, а также средства связи и регулирования рабочих камер в виде радиальных каналов в роторах, причем один из роторов связан с валом жестко, а другой - с возможностью поворота, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, двигатель снабжен втулкой с кольцевым пазом, радиальные лопатки жестко связаны с боковыми и поперечной стенками, одна из рабочих полостей выполнена в виде камеры нагнетания и сгорания, а другая - в виде камеры расширения, причем камеры связаны между собой с возможностью периодического сообщения через втулку с кольцевым пазом, установленную в поперечной стенке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности к роторным двигателям с эксцентрическим расположением роторов в комбинации с подвижными радиальными пластинами.

Роторные ДВС становятся реальной альтернативой традиционным ДВС. Это в основном роторные двигатели Ванкеля. За последние годы появились роторные ДВС, имеющие эксцентрическое расположение роторов, снабженных подвижными радиальными пластинами, рабочих полостях двигателя. Такие двигатели, обладая преимуществами двигателя Ванкеля, являются более технологичными.

Известны ДВС с эксцентрическим расположением роторов, снабженных подвижными радиальными пластинами, в рабочих полостях двигателя [1-3] .

Роторный ДВС [1] имеет цилиндрический корпус, в котором размещен цилиндрический ротор, ось которого смещена относительно оси корпуса. Ротор имеет радиальный паз, в котором размещена подпружиненная радиальная пластина, обладающая большим ходом перемещения. Кроме того, на внешней поверхности ротора равномерно распределены подвижные упругие радиальные уплотнения с небольшим ходом. К корпусу в зоне максимального сближения его внутренней поверхности и ротора подведены впускной и выпускной каналы, оборудованные управляющими каналами. Радиальная пластина, размещенная на валу ротора, под действием пружины постоянно находится в силовом контакте с внутренней поверхности корпуса, обеспечивая уплотнение подвижной границы разделения объемов рабочей камеры с резким перепадом давлений среды. Радиальные упругие уплотнения с ограниченным ходом предназначены для уплотнения зоны определения ротора с внутренней поверхностью рабочей камеры. Эта зона является также подвижной границей разделения объемов рабочей камеры с резким перепадом давлений среды. Работает этот роторный ДВС следующим образом. Подаваемое периодически из камеры сгорания по впускному каналу рабочее тело под давлением воздействует на несбалансированную часть радиальной пластины, создавая на ней перепад давлений, трансформируемый во вращающий момент на валу ротора. Отработанные газы удаляются через выпускной канал.

Недостатком ДВС является постоянное фрикционное взаимодействие радиальной пластины и радиальных упругих уплотнений с внутренней поверхностью рабочей камеры двигателя, что снижает его долговечность, а также и КПД.

В качестве прототипа взят предлагаемый роторный ДВС [3] , содержащий корпус с соосно расположенными внутренними рабочими цилиндрическими полостями, которые разделены поперечной промежуточной стенкой и закрыты боковыми подвижными стенками. В полостях корпуса роторы размещены эксцентрично с возможностью касания по образующей с цилиндрическими поверхностями полостей и по торцовым поверхностям с поперечной разделительной и боковыми стенками. В этих же полостях размещены радиальные лопасти, кинематически связанные с сопряженными пазами ротора и корпусом. Средства регулирования и связи рабочих камер выполнены в виде радиальных каналов в роторах. Один из роторов установлен на валу жестко, а другой - с возможностью поворота.

Первоначальный запуск двигателя осуществляется с использованием, например электростартера. В процессе вращения ротора в момент, когда камера сгорания достигает заданного объема, в нее подается заряд топливовоздушной смеси. По мере вращения ротора с радиальной лопаткой объем камеры несколько уменьшается, в результате чего давление и температура смеси возрастают. По достижении лопаткой заданного положения сжатый заряд воспламеняется посредством свечи зажигания и давление среды в камере сгорания резко возрастает. Продукты сгорания под большим давлением воздействуют на радиальную лопатку ротора камеры расширения, создавая вращающий момент на валу двигателя. По достижении заданного положения ротора отработавшие газы удаляют из камеры расширения в атмосферу через выхлопные отверстия.

В дальнейшем характер работы роторного ДВС, определяемый взаимодействием его камер, сохраняется.

Прототип имеет следующие недостатки:

сложная сборная конструкция корпуса;

наличие фрикционного взаимодействия торцовых поверхностей роторов и радиальных лопаток с неподвижными поверхностями торцовых крышек корпуса и стенки, разделяющей камеры сгорания и расширения, что приводит к износу элементов, формирующих рабочие камеры, снижению долговечности двигателя;

наличие фрикционного взаимодействия цапф радиальных лопаток с поверхностями корпуса под действием центробежных сил, проявляющихся в процессе работы двигателя, что также приводит сначала к износу пары цапфа-канавка, а затем и к износу рабочих поверхностей радиальных лопаток, взаимодействующих с внутренними поверхностями рабочих полостей корпуса, и снижению долговечности двигателя.

Целью изобретения является создание роторного двигателя внутреннего сгорания, лишенного указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с разделенными поперечной стенкой камерами сгорания и расширения, сформированными внутренними цилиндрическими поверхностями корпуса совместно с эксцентрическими относительно них и соприкасающимися с ними по образующим цилиндрическими поверхностями роторов, установленных на общем валу двигателя, и с радиальными лопатками, подвижно взаимносопряженными с радиальными пазами роторов и соприкасающимися с внутренними цилиндри- ческими поверхностями корпуса, и элементы, формирующие и регулирующие связь камер сгорания и расширения, эти камеры выполнены соосными, радиальные лопатки жестко закреплены между круговой поперечной стенкой и двумя дополнительными круговыми стенками, установленными подвижно и соосно относительно внутренней поверхности корпуса, роторы расположены между указанными стенками в соприкосновении с ними, при этом ротор, формирующий камеру сгорания, установлен с возможностью поворота относительно вала двигателя.

Выполнение камер сгорания и расширения соосными упрощает конструкцию корпуса двигателя, во-первых, превращая ее в обычный цилиндр с отработанной технологией обработки, во-вторых, позволяя реализовать скользящую посадку в нем трех круговых поперечных стенок с закрепленными между ними радиальными лопатками с помощью подшипников качения, что уменьшает паразитное трение в двигателе, не снижая степени его герметизации, и увеличивает долговечность работы двигателя.

Жесткое закрепление радиальных лопаток между круговой поперечной стенкой, разделяющей камеры, и двумя дополнительными круговыми поперечными стенками, установленными подвижно и соосно относительно внутренней поверхности корпуса, позволяет обеспечить скольжение радиальных лопаток по ней без силового взаимодействия, порождаемого центробежными силами, и увеличить долговечность работы двигателя.

Ликвидация центробежных сил достигается, во-первых, точной балансировкой вращающейся конструкции описанного узла, во-вторых, возможностью установки ее в корпусе двигателя с использованием подшипников качения.

Расположение роторов между подвижными поперечными стенками в соприкосновении с ними позволяет понизить интенсивность их фрикционного взаимодействия и увеличить долговечность работы двигателя. Понижение интенсивности фрикцион- ного взаимодействия торцовых поверхностей роторов со смежными им поверхностями поперечных стенок достигается уменьшение относительной скорости скольжения контактирующих поверхностей, поскольку они вращаются в одном направлении с одинаковой угловой скоростью.

Установка ротора, формирующего камеру сгорания, с возможностью поворота относительно общего вала двигателя позволяет, во-первых, упростить конструкцию, и, во-вторых, согласовать кинематику взаимосопряжения пазов роторов с радиальными лопатками при необходимости их углового взаимосмещения вплоть до 180^о.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый роторный двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что камеры сгорания и расширения выполнены соосными, радиальные лопатки жестко закреплены между круговой поперечной стенкой, разделяющей камеры, и двумя дополнительными круговыми поперечными стенками, установленными подвижно и соосно относительно внутренней поверхности корпуса, роторы расположены между указанными стенками в соприкосновении с ними, при этом ротор, формирующий камеру сгорания, установлен с возможностью поворота относительно общего вала двигателя.

Таким образом, заявляемый роторный двигатель внутреннего сгорания соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны роторные ДВС, например патент США N 4432314, кл. 123/238, в которых для формирования камер сгорания и расширения используются цилиндрические роторы, на одном из которых выполнена впадина, а на другом - зуб. Все подобные ДВС выполнены по схеме внешнего зацепления, реализуемого кратковременно в каждом цикле. В предлагаемом роторном ДВС, использовано внутреннее зацепление, характерной особенностью которого является постоянное взаимодействие впадины и зуба, изменяется лишь их взаиморасположение. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого роторного ДВС критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен продольный разрез роторного двигателя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (поперечное сечение камеры сгорания); на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1 (поперечное сечение стенки, разделяющей камеры сгорания и расширения); на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1 (поперечное сечение камеры расширения).

Роторный ДВС (фиг. 1) содержит корпус 1, во внутренней цилиндрической полости которого на подшипниках 2 качения установлены круговые поперечные стенки 3-5, связанные между собой радиальными лопатками 6 и 7 (см. фиг. 2 и 4). Диаметры круговых поперечных стенок одинаковы и равны диаметру внутренней полости корпуса, а радиальные лопатки расположены с возможностью постоянного скользящего контакта с ней своими внешними гранями. В поперечном сечении лопатки установлены с угловым взаимосмещением, равным 180^о (для предпочитаемого варианта), а их внешние грани представляют собой участки цилиндрической поверхности, соосной внутренней полости корпуса. В полости корпуса между стенками 3 и 4, 4 и 5 на валу 8 соосно установлены цилиндрические роторы 9 и 10 соответственно. При этом ротор 9 сцеплен с валом 8 посредством шпонки 11, а ротор 10 имеет возможность поворота относительно вала. Торцовые поверхности роторов 9 и 10 находятся в непосредственном соприкосновении со смежными поверхностями соответствующих поперечных стенок. В роторах 9 и 10 вдоль их образующей выполнены радиальные пазы 12 и 13, взаимосопряженные с лопатками 6 и 7 соответственно. Внешние поверхности роторов эксцентричны относительно внутренней полости корпуса и соприкасаются с ней по образующей. Вал 8 базируется в подшипниках 14 качения, установленных в корпусных торцовых крышках 15 и 16.

Во внутренней полости корпуса 1 сформированы рабочие камеры двигателя: камеры 17 расширения и камера 18 сгорания. Объем камеры 17 расширения ограничен цилиндрическими поверхностями полости корпуса 1, ротора 9, а также стенками 3 и 4. Объем камеры 18 сгорания ограничен цилиндрическими поверхностями полости корпуса 1 и ротора 10, а также стенками 4 и 5. Камеры 17 и 18 снабжены окнами 19 и 20, соответственно выполненными в корпусе 1. В стенке 4, разделяющей рабочие камеры двигателя, соосно ее внешней поверхности выполнено отверстие, в котором установлена втулка 21 с кольцевой проточкой 22. На внешней поверхности стенки 4, контактирующей с внутренней полостью корпуса 1, выполнен вырез 23, открытый в сторону объема камеры 18. Вырез 23 располагается непосредственно перед (по направлению вращения) лопаткой 7. В стенке 4 (см. фиг. 3) также выполнены сквозные радиальные отверстия 24, расположенные непосредственно перед (по направлению вращения) вырезом 23. Внутренняя полость корпуса 1 в плоскости, совмещенной с вырезом 23 и радиальными отверстиями 24 в стенке 4, снабжена радиусным пазом 25, ограниченным по угловой длине. Паз 25 располагается в угловом диапазоне, ограниченном установкой свечи 26 зажигания и точкой касания ротора 10 с полостью корпуса 1. Ширина паза 25 не превышает ширины стенки 4. Подшипники 14, в которых установлен вал 8 двигателя, защищены крышками 27 и 28.

Роторный ДВС работает следующим образом.

Первоначальный запуск двигателя осуществляется с помощью стартового электродвигателя, вращающего отключенный от трансмиссии вал 8. Совместно с валом 8 вращается жестко связанный с ним шпонкой 11 ротор 9. Зацепление радиального паза 12 ротора 9 с лопаткой 6 обеспечивает ее вращение и вместе с ней вращение круговых поперечных стенок 3-5, а также лопатки 7. Зацепление лопатки 7 с радиальным пазом 13 обеспечивает вращение ротора 10. Вращение указанных элементов двигателя однонаправленное. После прохождения лопаткой 7 окна 20 через него в объем камеры 18 сгорания подается заряд топливовоздушной смеси, который по мере движения лопатки 7 равномерно распределяется по всему объему камеры 18. После прохождения лопаткой 7 зоны максимального сближения поверхностей ротора 10 и полости корпуса 1 по мере ее движения в камере сгорания начинается процесс сжатия топливовоздушной смеси, находящейся в замкнутом объеме перед (по направлению движения) лопаткой 7. В процессе сжатия первого заряда топливовоздушной смеси в замкнутый объем камеры 18 сзади лопатки 7 (после ее прохождения окна 20) подается второй заряд рабочей смеси. При этом объем камеры сгорания перед лопаткой 7 уменьшается, а объем сзади нее увеличивается. По достижении заданной степени сжатия топливовоздушной смеси происходит ее воспламенение при помощи свечи 26 зажигания. В момент воспламенения рабочей смеси в объеме камеры 18 сгорания перед лопаткой 7 вырез 23 в стенке 4 совмещается с радиусным пазом 25 корпуса 1. В результате продукты сгорания через вырез 23, сечение паза 25 и радиальные отверстия 24 в стенке 4 попадают в кольцевую проточку 22 втулки 21, а далее через радиальный паз 12 ротора 9 - в объем камеры 17 расширения сзади лопатки 6. Поступление продуктов сгорания в камеру 17 продолжается до тех пор, пока радиальные отверстия 24 находятся в зоне паза 25. Продукты сгорания, поступающие под высоким давлением в замкнутый объем камеры 17 сзади лопатки 6, формируют на ней перепад давлений, трансформируемый во вращающий момент на валу 8 двигателя. Часть вращающего момента используется для поддержания работы камеры сгорания (уже без использования стартового электродвигателя) и описанный порядок работы роторного ДВС повторяется.

Отработанные газы, оставшиеся в камере 17 расширения после очередного цикла удаляются лопаткой 6 через окно 19 в атмосферу в последующем цикле. (56) 1. Патент США N 4548171, кл. 123-230, опубл. 1985.

2. Патент США N 4638776, кл. 123-235, опубл. 1987.

3. Патент США N 3298331, кл. 123-8.35, опубл. 1967.