роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий полый разъемный корпус с разделительными лопатками, рабочим цилиндром и камерами сгорания, состоящий из двух частей, установленный в рабочем цилиндре ротор с валом, поршневым выступом, радиальными расположенными в канавке поршневого выступа и торцевыми уплотнениями, механизмы перепуска с сопряженно-сдвоенными лопатками и механизм газораспределения с разделительными лопатками, имеющие устройства привода лопаток, выполненные в виде пар кулачковых дисков, жестко связанных с ротором, системы смазки и охлаждения, отличающийся тем, что ротор снабжен двумя кольцевыми выступами с внешним радиусом, равным радиусу поршневого выступа, герметично соединенными с ним и сопряженными с поверхностью цилиндра, механизм перепуска включает сопряженные между собой углубление, выполненное на фронтальной поверхности поршневого выступа по его средней части, и окончание второй части по ходу его вращения сопряженно-сдвоенной лопатки, корпус выполнен из двух сопряженных полуцилиндров с разъемом по диаметральной плоскости, а кулачковые диски жестко связаны с кольцевыми выступами ротора.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что радиальные уплотнения выполнены в виде набора сопряженных между собой, изогнутых в радиальной плоскости упругих пластин прямоугольного поперечного сечения, имеющих скосы по концам, установленных в сопряженной с ними канавке поршневого выступа и расположенных в плоскости вращения ротора.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что торцевые уплотнения выполнены в виде сопряженных окружных канавок в кольцевых выступах ротора и корпусе, в которых установлены компрессионные кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, точнее к транспортным средствам, имеющим двигатели внутреннего сгорания.

Известны ДВС с классическим шатунно-кривошипным механизмом, двигатели нового типа (Кушуль В. М. Знакомьтесь - двигатель нового типа. Л. : Судостроение, 1966, с. 7-12; 106-117).

Известны двигатели С. С. Баландина (Баландин С. С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М. : Машиностроение, 1968, с. 24-36).

Известны роторные двигатели типа Ванкель. Выпущен первый отечественный роторно-поршневой ДВС (Техника - молодежи, 1982, N 11, с. 24-26). Имеются двигатели, у которых сближается искровое зажигание с дизелем, послойное наполнение взаимодействует с ротором, хотя один такт рабочего процесса при максимальных оборотах в современных двигателях проходит всего за 0,005 с. Есть ротативные двигатели (Техника-молодежи, 1980, N 11, с. 46-48).

Известен также роторно-лопастной ДВС Г. А. Соколова (Гуськов Г. Необычные двигатели, //Знание-сила, 1972, N 1, с. 64); бесшатунный ДВС В. Хосянова (ИР, 1981, N 28, с. 6-8); ДВС с двумя обгонными муфтами (ИР, 1987, N 10, с. 12); двигатель по а. с. N 1257259, где шатунно-кривошипный механизм заменен комбинацией кулисного механизма Эванса и обгонной муфты; двигатель С. С. Баландина (ИР, 1974, N 1, с. 13); ДВС по а. с. N 1257303 (ИР, 1987, N 1, ДВС необычной схемы (реферативный журнал (ДВЕ) АН СССР, 1987, N 10, с. 53).

Известен также четырехтактный орбитальный ДВС Сайрича (Реферативный журнал (ДВС) АН СССР, 1974, N 4, и 1973, N 10) и необычный ДВС французского изобретателя Жан-Клода Лефевра с вращающимся поршнем-ротором и четырьмя радиальными лопатками (Знание-сила, 1985, N 6, с. 33).

Имеются также газотурбинная автомобильная установка (Артамонов М. Д. , Морин М. М. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. М. : Высшая школа, 1973, с. 193 - 197 и с. 200 - 201 и в связи с этим: Двигатели внутреннего сгорания. М. : Машиностроение, 1971, с. 332 - 337).

Известно устройство, преобразующее сложное движение, состоящее из поступательно-возвратного и вращательного, во вращательное вала отбора мощности.

Основной недостаток большинства перечисленных выше роторных ДВС типа Ванкеля, типа орбитально-лопаточных и роторно-лопаточных заключаются в том, что у них ненадежное радиальное уплотнение, особенно у Ванкеля, действующее в сопряжении с рабочей поверхностью эпитрохоиды.

Увеличение ширины уплотнения способствует потере контакта с рабочей поверхностью. Утончение уплотнения приводит к залипанию в пазах ротора под действием сил трения. Все это получается не только из-за инерционных и нагрузочных сил, но еще в большей степени из-за эпитрохоидной рабочей поверхности и ротора, расположенного на эксцентрике выходного валика, что затрудняет также приобщение к ним системы послойного наполнения, повышает расход топлива и масла, снижает долговечность и надежность.

У роторного ДВС лопаточного типа (Реферативный журнал (ДВС) АН СССР, 1977, N 11, с. 54) ось вала отбора мощности также эксцентрична относительно общей оси цилиндрических рабочих полостей, что снижает его долговечность и надежность. Основное отличие роторных двигателей от поршневых состоит в том, что у первых отсутствует кривошипно-шатунный механизм, необходимый для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала. Однако это не дает основания сделать вывод о том, что ДВС типа Ванкеля обладает существенными преимуществами перед поршневыми двигателями.

В качестве прототипа выбран роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый разъемный корпус с разделительными лопатками, рабочим цилиндром и камерами сгорания, состоящий из двух частей, установленный в рабочем цилиндре ротор с валом, поршневым выступом, радиальными, расположенными в канавке поршневого выступа, и торцовыми уплотнениями, механизм перепуска с сопряженно сдвоенными лопатками и механизм газораспределения с разделительными лопатками, имеющие устройства привода лопаток, выполненные в виде пар кулачковых дисков, жестко связанных с ротором, системы смазки и охлаждения. Двигатель имеет низкую эффективность из-за ненадежного уплотнения рабочего объема, не позволяющего плотно прилегать уплотнениям к поверхности корпуса при его неравномерном износе.

Цель изобретения - повысить эффективность работы роторно-лопаточного ДВС.

Это достигается тем, что в конструктивной схеме ДВС эксцентричное вращение ротора заменяется центробежным в цилиндрическом статоре. Радиальные лопатки ротора выносятся из него и размещаются в окнах статора-цилиндра, закрепляясь вместе с пружинами на его поверхности. На цилиндрическом роторе по середине вырезается неглубокая канавка, в которую жестко и диаметрально крепятся два кулачка с уплотнениями, касающимися внутренней поверхности цилиндра.

С боков к верхней части ротора жестко крепятся кулачковые шайбы газораспределения, выдвигающие лопатки в моменты прохождения кулачков ротора в четырехтактном рабочем цикле.

Перепуск из камеры впуска-сжатия в камеру сгорания осуществляется за счет набегания на перепускную лопатку затем на сдерживающе-выпускные лопатки камеры расширения, т. е. вклинивания под нее, поверхностей боковых кромок углубления в кулачках ротора, что является существенным преимуществом устройства.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема турбороторного двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - ротор-разрез с кольцевой канавкой (полостью) и канавками на боковых выступах; на фиг. 3 - цилиндр из двух частей, скрепленных болтами; на фиг. 4 - ротор, вид сверху.

Двигатель содержит ротор 1 с кулачками, вал отбора мощности 2, цилиндр 3 с рубашкой жидкостного охлаждения 4, впускными окнами 5 и 6, с лопаткой 7 и ее уплотнением, сдвоенной лопаткой 8, 9 и ее уплотнениями, сдвоенной лопаткой 10, 11 и ее уплотнениями, камеру впуска и сжатия 12, камеру перепуска и сгорания 13, камеру расширения и выпуска отработанных газов 14, запальную свечу 15, масляный бак 16 со сверлениями 17 в цилиндре. Ротор снабжен канавками 19 для компрессионных колец с жестко прикрепленным в кольцевой полости 18 кулачком 24 с уплотнением 25 и боковыми кромками 26 углубления.

Двигатель работает по четырехтактному циклу следующим образом.

Фазы начала и конца каждого из четырех тактов определяются положением кулачков ротора относительно впускного и выпускного окон. Такт рабочий ход получается за два оборота ротора.

Первый такт.

Ротор 1 с кулачками 24, вращаясь, открывает впускное окно 5. Вследствие перемещения кулачка 24 в полости 12 создается разряжение, поэтому горючая смесь заполняет полость 12, т. е. камеру впуск-сжатие за пол-оборота ротора. Лопатка 7 в этом также поднялась, от набегания кулачков распределительных шайб 21, сопряженных с лопаткой 7, и опустилась под действием пружины.

Второй такт.

Прокрутившись еще пол-оборота, ротор 1 перемещающимся кулачком 21 сжимает горючую смесь в полости 12 и перепускает ее в камеру сгорания 13. Кулачок 24, по мере подхождения к лопатке 7, сжимает смесь до необходимой степени. Затем передняя часть боковых кромок 20 кулачка 24 вклинивается под уплотнения 22 лопатки 7 и с помощью кулачковых распределительных шайб 21 поднимают ее. Так как кулачок 24 имеет углубление 27, в постепенно увеличивающуюся щель между уплотнениями 22 лопатки 7 и углублением 27 кулачка 24 сжатая смесь из полости впуск-сжатие 12 перепускается в камеру сгорания 13. Перемещаясь дальше, передняя часть боковых кромок 20 кулачка 24 вклинивается передней кромкой углубления 27 под уплотнение лопатки 8, которая уже лопатки 9. Под действием боковых кромок 20 кулачка 24 лопатка 9 поднимается, пропуская кулачок 24, а лопатка 8 опускается под своей тяжестью и действием пружины сверху, проходя уплотнением по поверхности углубления 27, выталкивает сжатую горючую смесь из углубления 27 в камеру сжатия 13. Кулачок 24, подойдя под лопатки 8, 9 поднимает их и завершает второй такт.

Третий такт.

Под действием запальной свечи гоpючая смесь воспламеняется и давит на кулачок 24, который под действием расширения газов и инерционных сил ротора 1, начинает рабочий ход и завершает его, подойдя к окну 5, т. е. за пол-оборота ротора.

В этом такте лопатки 8, 9 не опускались под действием давления газов и кулачков-ползунов распределительных шайб, взаимодействующих с лопатками, а лопатки 10, 11 совершали действие аналогичное лопаткам 8, 9 когда завершался перепуск.

Четвертый такт.

Прокручиваясь еще пол-оборота, кулачок 24, перемещаясь к выпускному окну 6, выталкивает через него отработанные газы, освобождая полость 14. В этом также поднятие и опускание лопаток 10, 11 повторилось.

Роторный двигатель внутреннего сгорания работает по четырехтактному циклу как двигатели типа Ванкель или как орбитально-паточный с радиальными лопатками. У него нет классического коленчатого вала, шатунов, обычных поршней, клапанов, поэтому масса его значительно меньше известных поршневых двигателей. Отдача при равном рабочем объеме цилиндра намного выше. Вес, габариты и шум меньше.

Потребление горючего и потери мощности снижены за счет умеренных оборотов ротора. Главной особенностью является перепуск горючей смеси из впускного объема в камеру сгорания. По сравнению с двигателем Ванкеля увеличен хода ротора-турбины в такте расширения, что можно понять из круговой диаграммы фаз газораспределения, поэтому двигатель меньше загрязняет окружающую среду.

Надежность и эффективность работы двигателя обеспечивается за счет жесткости свободно сблокированных, уравновешенно взаимодействующих подвижных и неподвижных частей без возвратно-поступательных и эксцентричных движений, поэтому он может выдерживать высокие силовые и температурные нагрузки.

Подъем лопаток осуществляется главным образом за счет распределительных кулачковых шайб (дисков) - ползунов, сопряженных с ними.

Надежность работы лопаток обеспечивается незначительной высотой подъема, т. к. перекрываемые лопатами полости имеют объем в основном за счет ширины. Никаких клапанов для впускного и выпускного окон не требуется. Уплотнения кулачков и лопаток из кусочков чугунных поршневых колец, поставленных вдоль вращения ротора, обеспечивают необходимую компрессию, а зазоры канавок для колец являются лучшим уплотнением, т. к. при вращении ротора масло свободно проходит в эти зазоры-щели и под действием центробежных сил, отбрасываясь от поверхности цилиндра, снова поступают в масляный картер.

Двигатель без маховика, т. к. его роль выполняет масса ротора. Цилиндр, разделенный на два полуцилиндра с выступом по зеркалу, упрощает разборку и сборку двигателя, а также обеспечивает необходимую регулировку зазора между боковым зеркалом цилиндра и компрессионными кольцами, которые допустимо выполнять из круглой стальной проволоки, т. е. ставить не кольца, а прямые гладкие прутья с загибом на переднем конце, вставленном в сверление в канавке для кольца.

Двигатель можно выполнить в варианте с воздушным охлаждением. Для этого кроме обдувочных пластин на поверхности цилиндра, надо прикрепить вентилятор с передней стороны ротора и установить кожух.