роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий неподвижный корпус с газораспределительными окнами, свечи зажигания, вал отбора мощности, установленный в корпусе, наружный ротор постоянного вращения с газораспределительными отверстиями на цилиндрической поверхности и внутренними радиальными перегородками, размещенный на валу в корпусе, внутренный ротор переменного вращения с наружными радиальными перегородками и полостью охлаждения, установленный в наружном роторе соосно с последним и с образованием между перегородками рабочих камер переменного объема, механизм привода внутреннего ротора с мальтийским крестом и тормозным диском с цевкой, промежуточную ось, размещенную в корпусе параллельно валу, шестеренчатую передачу, кинематически связывающую вал с промежуточной осью, механизм управления работой привода, причем осевой выступ цевки тормозного диска выполнен с возможностью периодического взаимодействия с вилкой креста, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительной шестеренчатой передачей, кольцами с патрубками и внутренними полостями, выполненными с возможностью сообщения через газораспределительные окна корпуса и газораспределительные отверстия наружного ротора с рабочими камерами, крест жестко соединен с внутренним ротором, тормозной диск с промежуточной осью и выполнен с выемкой, сопряженной с цилиндрической поверхностью диска, ширина цилиндрической поверхности тормозного диска больше осевой глубины выемки на нем, длина осевого выступа цевки не превышает осевой глубины выемки тормозного диска, механизм управления работой привода выполнен в виде управляющего диска с криволинейной канавкой, связанного с валом через дополнительную шестеренчатую передачу, и управляющего выступа корпуса, выполненного с возможностью взаимодействия с криволинейной канавкой, управляющий диск свободно установлен на промежуточной оси и зафиксирован на ней от осевого перемещения, промежутояная ось установлена с возможностью осевого смещения, передаточное число шестеренчатых передач кратно числу вершин креста, на наружном и внутреннем роторах выполнены бобышки с возможностью периодического взаимодействия между собой, длина передней стенки вилки креста по ходу вращения больше длины задней вилки креста, причем газораспределительные окна расположены рядами, каждый ряд окон сообщен с внутренними полостями одного кольца, а каждая внутренняя полость через патрубок сообщена с внешними системами двигателя.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал выполнен с масляными каналами, сообщенными с одной стороны с системой принудительной подачи масла, а с другой стороны с полостью охлаждения внутреннего ротора, образованной внутренней осевой поверхностью ротора и наружной поверхностью вала.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что перегородки ротора имеют в сечении форму усеченного клина.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на наружной боковой поверхности наружного ротора выполнены несколько рядов газораспределительных отверстий одного назначения.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что свечи зажигания установлены в кольце системы всасывания с возможностью сообщения с рабочими камерами через окна всасывания.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторыми наружными и внутренним роторами, установленными на том же валу что и первые, причем вторые роторы смещены относительно первых роторов по углу вращения вала.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторыми наружными и внутренним роторами, установленными на том же валу, причем второй внутренний ротор, кинематически связан с механизмом привода первого внутреннего ротора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания.

Ближайшим к предлагаемому роторному двигателю по технической сущности является двигатель, который содержит полый корпус с окнами газораспределения, в полости которого установлены соосно наружный ротор постоянного вращения и внутренний ротор переменного вращения и вал. Наружный ротор снабжен внутренними перегородками, газораспределительными и зажигательными отверстиями, а внутренний ротор снабжен наружными радиальными перегородками. Двигатель снабжен механизмом привода внутреннего ротора с мальтийским крестом, тормозным механизмом, шестеренчатой передачей, имеющей малую и большую шестерни, а также промежуточной осью и механизмом управления работой привода.

Основным вопросом работоспособности предлагаемого двигателя и его прототипа является обеспечение точного совмещения рабочих камер ротора с газораспределительными окнами после каждого цикла работы, т. е. необходимо учитывать, что во время движения ротора переменного вращения, ротор постоянного вращения совершает поворот на определенный угол.

К недостаткам конструкции двигателя-прототипа следует отнести следующее:

малое использование пространства ротора для работы, а следовательно, малый КПД, так как принцип конструкции предопределяет целесообразность иметь рабочую камеру более вытянутой вдоль оси вала и, следовательно, не делить ее на части;

отсутствие соответствия получаемой степени сжатия, равной 4, что объясняется прямым применением мальтийского креста, современной для поршневых двигателей, у которых она более 7, т. е. не будет достигнут необходимый КПД;

в конструкции нет соответствия между временем всасывания и выхлопа (отверстия выполнены симметрично), в действительности выход будет происходить примерно в 4 раза быстрее, без этого будет нанесен ущерб всасыванию, что тоже приведет к уменьшению КПД;

система охлаждения двигателя воздушными потоками, создаваемыми вентилятором, громоздка, усложняет конструкцию и увеличивает металлоемкость;

механизм привода внутреннего ротора кинематически и конструктивно сложен.

Цель изобретения повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания и упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус с газораспределительными окнами, свечи зажигания, вал отбора мощности, установленный в корпусе, наружный ротор постоянного вращения с газораспределительными отверстиями на цилиндрической поверхности и внутренними радиальными перегородками, размещенный в корпусе, внутренний ротор переменного вращения с наружными радиальными перегородками и полостью охлаждения, установленный в наружном роторе соосно последнему и с образованием между перегородками рабочих камер переменного объема, механизм привода внутреннего ротора с мальтийским крестом и тормозным диском с цевкой, промежуточную ось, размещенную в корпусе, параллельно валу, шестеренчатую передачу, кинематически связывающую вал с промежуточной осью, механизм управления работой привода, осевой выступ цевки тормозного диска выполнен с возможностью взаимодействия с вилкой креста, причем двигатель снабжен дополнительной шестеренчатой передачей, кольцами с патрубками и с внутренними полостями, выполненными с возможностью сообщения через газораспределительные окна корпуса и газораспределительные отверстия наружного ротора с рабочими камерами, крест жестко соединен с внутренним ротором, тормозной диск с промежуточной осью и выполнен с выемкой, сопряженной с цилиндрической поверхностью диска, ширина цилиндрической поверхности тормозного диска больше осевой глубины выемки на нем, длина осевого выступа цевки не превышает осевой глубины выемки тормозного диска, механизм управления работой привода выполнен в виде управляющего диска с криволинейной канавкой, связанного с валом через дополнительную шестеренчатую передачу и управляющего выступа корпуса, выполненного с возможностью взаимодействия с криволинейной канавкой, управляющий диск свободно установлен на промежуточной оси и зафиксирован на ней от осевого перемещения, промежуточная ось установлена с возможностью осевого смещения, передаточное число шестеренчатых передач кратно числу вершин креста, на наружном и внутреннем роторах выполнены бобышки с возможностью периодического взаимодействия между собой, длина передней стенки вилки креста по ходу вращения больше длины задней стенки вилки креста, газораспределительные отверстия расположены рядами, каждый ряд отверстий сообщен с внутренними полостями одного кольца, а каждая внутренняя полость через патрубок сообщена с внешними системами двигателя. Вал может быть выполнен с масляными каналами, сообщенными с одной стороны с системой принудительной подачи масла, а с другой стороны с полостью охлаждения внутреннего ротора, образованной внутренней цилиндрической поверхностью ротора и наружной поверхностью вала, перегородки ротора могут иметь в сечении форму усеченного клина, на наружной поверхности ротора могут быть выполнены несколько рядов газораспределительных отверстий одного назначения, свечи зажигания могут быть установлены в кольце системы всасывания с возможностью сообщения с рабочими камерами через окна всасывания. Двигатель может быть снабжен вторыми наружным и внутренним роторами, установленными на том же валу, что и первые, вторые роторы смещены относительно первых по углу вращения вала, причем второй внутренний ротор может быть кинематически связан с механизмом привода первого внутреннего ротора.

Кроме устранения указанных выше недостатков, предлагаемая конструкция предусматривает возможность использования следующих ее преимуществ:

в отличие от поршневого двигателя, в котором усилие давления газов передается на вал через кривошипно-шатунный механизм, в роторном двигателе предлагаемой конструкции оно непосредственно передается на вал, поскольку плечо (рычаг) коленвала изменяется от верхней до нижней точки, т. е. по углу от 0 до 0, то среднегеометрическое плечо будет составлять 0,64 от заложенного в конструкции, это неизбежные потери поршневого двигателя, следовательно, роторный двигатель при равных площадях поршня и перегородки будет иметь диаметр меньше коленвала в 1/0,641,56 раза;

поскольку в роторном двигателе предлагаемой конструкции плечо передачи момента на вал будет равняться расстоянию от оси вала до середины перегородки ротора (если она имеет правильную прямоугольную форму), то при одинаковой площади перегородки и равных габаритах по диаметру, целесообразно иметь перегородку менее широкую по радиусу и более вытянутую по оси вала, т. е. стремиться увеличить плечо, из последнего следует, что перегородку целесообразно крепить и к ротору вдоль оси вала, это приведет к уменьшению объема перегородок, увеличению полезного объема ротора и следовательно, к увеличению КПД;

для обеспечения необходимой степени сжатия, соответствующей современным бензиновым двигателям и тем более двигателям типа Дизель, необходима конкретная разработка соответствующего механизма привода внутреннего ротора переменного вращения.

Общий принцип работы двигателя следующий.

Необходимо, чтобы совмещение рабочих камер всасывания и выхлопа с соответствующими газораспределительными окнами или исходное положение наступало после каждого цикла (или после каждого рабочего хода). В настоящем разъяснении и в дальнейшем описании конструкции будем исходить из двигателя, ротор которого имеет четыре радиальных перегородки в каждой части (в роторе постоянного вращения и в роторе переменного вращения), так как такая конструкция представляется наиболее рациональной для практического использования.

В этом случае рабочий ход будет совершаться в камере ротора за 1/4 оборота вала. Все стадии четырехтактного цикла будут происходить одновременно в двух камерах симметричных относительно оси вала, т. е. одновременно будет происходить два рабочих хода, всасывание в двух камерах и т. д.

Для обеспечения необходимой степени сжатия, равной 7 и более, скорость вращения ротора переменного вращения должна быть в 8 раз больше скорости ротора постоянного вращения. В этом случае необходимая степень сжатия, например 7, 2, будет достигаться изменением конфигурации поверхности перегородок. При степени сжатия меньше 8 на поверхности перегородок будут углубления, при степени сжатия больше 8 выпуклости, т. е. рассчитывая по углу вращения вала степень сжатия, равную 8 (допустимо 7-9). Поскольку ротор переменного вращения будет совершать поворот на 90^о и для достижения степени сжатия равной 8 скорость его должна быть в 8 раз больше, то ротор постоянного вращения за это же время должен повернуться на угол 90^о/8 11,25^о, тогда суммарный его поворот составит 90^о + 11,25^о 101,25^о, и необходимого совмещения газораспределительных окон и соответствующих им камер всасывания и выхлопа не произойдет. Для избежания этого необходимо дать обоим роторам вместе повернуться на какой-то угол, т. е. совершить холостой ход на этот угол и поставить систему в положение, которое позволит после совершения ротором переменного вращения поворота на угол 90^о, а ротором постоянного вращения за это же время на угол 11,25^о прийти всей системе в исходное положение.

Под исходным положением следует понимать не абсолютную совместимость элементов, а относительную, так как на исходное место предыдущей перегородки становится следующая и т. д. В этом случае будет совмещение газораспределительных окон и соответствующих им камер всасывания и выхлопа для следующего цикла работы двигателя.

Если без холостого хода рабочий ход составлял угол 90^о-11,25^о 78,75^о, то теперь он будет меньше на угол холостого хода.

Это неизбежная потеря роторного двигателя данной конструкции. Эта потеря тем меньше, чем тоньше перегородки, однако всегда может быть меньше неизбежных потерь кривошипно-шатунного механизма.

На фиг. 1 изображен ротор постоянного вращения; на фиг. 2 ротор переменного вращения; на фиг. 3 общий вид ротора (в сборе); на фиг. 4-9 элементы конструкции двигателя; на фиг. 10 схема работы двигателя в виде условно развернутого цилиндра.

На фиг. 1 представлен наружный ротор постоянного вращения, состоящий из стакана 1, к внутренней поверхности которого крепятся четыре внутренние перегородки 2, расположенные попарно диаметрально. На стакане 1 имеются газораспределительные отверстия 3 и 4 для сочленения рабочих камер ротора с газораспределительными системами, отверстие 5 для сочленения со свечами зажигания. Свечи можно совместить с камерой ротора через отверстия системы всасывания 3. Стакан 1 торцевой стенкой соединяется с втулкой 6, служащей для посадки ротора на вал двигателя. На торцевой стенке имеются сквозные отверстия 7, а на стороне полого конца стакана 1 укреплена бобышка 8.

Внутренний ротор переменного вращения (фиг. 2) имеет торцевую стенку 9, которой крепятся четыре попарно диаметральные наружные перегородки 10 и цилиндр 11, имеющий полость 12, именуемую далее полостью охлаждения. На торцевой стенке 9 имеются отверстия 7 и бобышка 13 для сочленения бобышкой 8 ротора постоянного вращения.

На фиг. 3 представлен ротор в собранном состоянии на валу 14 отбора мощности, который имеет масляные каналы для подачи масла в полость охлаждения 12.

На валу размещена втулка 15 для принудительной подачи масла в канал вала через вход 16, которая фиксируется на корпусе двигателя. Механизм привода внутреннего ротора содержит мальтийский крест 17, жестко связанный с внутренним ротором, тормозной диск 25 с выемкой 26 и цевкой 27, установленный на промежуточной оси 20, последняя через шестеренчатую передачу, состоящую из шестерен 19 и 21 кинематически связана с валом 14.

Механизм управления работой привода содержит управляющий диск 22 с криволинейной канавкой 23, установленный на оси 20 и дополнительную шестеренчатую передачу, содержащую шестерни 18 и 24. Управляющий диск 22, шестерни 24 и 21 размещены на оси 20, а шестерни 18 и 19 на валу 14. Передаточное отношение шестеренчатых передач кратно числу вершин креста 17.

В криволинейную канавку 23 входит управляющий выступ 28, закрепленный на корпусе двигателя. Управляющий диск 22 имеет возможность свободного вращения, а от осевого смещения по оси 20 удерживается фиксаторами 29 (фиг. 5 и 6). Патрубки газораспределительных систем крепятся на кольцах 30, надетых на стакан 1 ротора постоянного вращения (фиг. 3). Кольца 30 имеют внутренние полости. Ширина цилиндрической поверхности тормозного диска 25 больше осевой глубины выемки 26, а длина осевого выступа цевки 27 не превышает осевой глубины выемки 26.

Двигатель работает следующим образом.

На фиг. 10 представлена схема работы двигателя в виде условно развернутого цилиндра стакана 1 ротора постоянного вращения в моментах А, В, Б, Г, где А исходное положение, соответствующее окончанию сжатия перед началом рабочего хода между перегородками I и а и окончанию выхлопа между перегородками II и б. Как уже было сказано, каждая стадия цикла происходит одновременно в двух камерах симметричных относительно оси вала, т. е. соответствующее окончание сжатия произойдет между перегородками III и в и выхлоп между IV и г (для кратности не показано, так как положение перегородок будет идентичным), где I, II, III, IV перегородки ротора переменного вращения, а, б, в и г перегородки ротора постоянного вращения; Б закончился рабочий ход между перегородками I и а и всасывание между II и б и т. д. В закончился холостой ход, во время которого перегородки повернулись на определенный угол, обусловленный конкретным конструктивным исполнением обоих роторов, т. е. повернулись все восемь перегородок без изменения объемов камер ротора; Г исходное положение цикл закончился и система готова к новому циклу, но рабочий ход теперь будет происходить между перегородками II б и I г.

Таким образом, ротор совершает три сочетания движений между своими двумя частями, которые определяются характером движения ротора переменного вращения. Если наружный ротор совершает равномерное вращательное движение, то внутренний ротор стоит весь период рабочего хода и всасывания, затем движется вместе с наружным ротором, увлекаемый за счет зацепления бобышек 8 и 13 (холостой ход) и далее движется со скоростью в восемь раз большей скорости наружного ротора за счет механизма привода, совершая суммарный поворот на 90 (холостой ход и поворот приводом) в течение которого происходит сжатие и выхлоп.

Рабочий ход (фиг. 10, А и Б). Во время рабочего хода перегородки I, II, III, IV стоят неподвижно, т. е. стоит ротор переменного вращения, который фиксируется от поворота тормозным диском 25 через крест 17, неподвижно соединенный с этим ротором. Чем больше рабочий ход, тем экономичнее двигатель, но он ограничен углом 11,25^о и углом холостого хода. Поскольку угол 11,25^о соответствует необходимой степени сжатия и не может быть изменен, а угол холостого хода зависит от конструкции, то при конструировании следует стремиться к наименьшему его значению.

Холостой ход (фиг. 10, Б и В). Это ход, при котором оба ротора совершают совместное движение без изменения объемов камер. Однако, этот ход не является совершенно бесполезным для работы двигателя, так как в это время осуществляется совмещение рабочих камер ротора с соответствующими газораспределительными окнами этот процесс идет именно во время холостого хода.

Холостой ход осуществляется следующим образом.

По окончании рабочего хода бобышки 8 и 13 входят в контакт и ротор постоянного вращения увлекает ротор переменного вращения, а это становится возможным потому, что в этот момент тормозной диск 25 выходит из зацепления с крестом 17, так как выемка 26 на нем имеет увеличение по ходу на угол 11,25^о, т. е. крест 17 может проворачиваться. Холостой ход будет продолжаться до тех пор, пока ротор постоянного вращения не дойдет до исходного положения на угол 11,25^о.

Выхлоп (фиг. 10, Б и Г). Выхлоп начинается за счет давления газов во время холостого хода и заканчивается чуть раньше, чем перегородки ротора займут исходное положение. Угол сочленения отверстия выхлопа 4 стакана 1 с каналом кольца 30 или угол канала кольца показан жирной линией это угол сочленения выхлопа. Во время выхлопа ротор переменного вращения движется со скоростью в 8 раз большей, чем ротор постоянного вращения. Это осуществляется следующим образом. Ось 20 с закрепленным на ней тормозным диском 25 постоянно вращается со скоростью в 8 раз большей, чем вал 14, благодаря соответствующим размерам шестерен 19 и 21, но до начала выхлопа цевка 27 выведена из зацепления с крестом 17 (фиг. 5), перед началом выхлопа ось 20 с тормозным диском 25 и укрепленной на нем цевкой 27 перемещается влево и цевка 27 становится против креста 17, получая возможность войти с ним в зацепление (фиг. 6), что и происходит при дальнейшем ее повороте. Это зацепление происходит через каждые 90^о поворота вала 14, так как управляющий диск 22, скрепленный с шестерней 24, вращается со скоростью в 4 раза большей, чем вал 14, благодаря соответствующему размеру шестерен 18 и 24. Управляющий диск 22 с шестерней 24 свободно вращается на оси 20, но зафиксирован от осевого смещения фиксаторами 29 и перемещается в осевом направлении под действием управляющего выступа 28 вместе с осью 20 и укрепленным на ней тормозным диском 25. Однако зацепление цевки 27 с крестом 17 будет несколько запаздывать, так как при холостом ходе крест 17 уже повернулся на угол холостого хода. Поэтому задняя стенка вилки креста 17 несколько укорочена, чтобы дать возможность цевке 27 войти в контакт с передней стенкой вилки креста 17, а в дальнейшем движении войти в паз вилки для обеспечения точного совмещения в процессе движения креста 17 с тормозным диском 25. В стадии расцепления цевки 27 с крестом 17, последний должен фиксироваться от смещения, особенно в стадии рабочего хода, поэтому тормозной диск 25 имеет продолжение в виде полого цилиндра за пределами выемки 26 и цевки 27 (фиг. 9). Шестерни 21 и 24 имеют увеличенную ширину для того, чтобы они не выходили из зацепления с шестернями 18 и 19 при осевом смещении оси 20. Вывод цевки 27 из зацепления с крестом 17 необходим для того, чтобы дать ей сделать один холостой проворот, так как скорость ее в два раза превышает скорость вращения управляющего диска 22. Принцип такого механизма может быть использован и для других вариантов двигателя, например дизельного типа. Тогда скорость вращения оси будет в 16 раз больше скорости вращения вала двигателя с соответствующим перерасчетом других элементов привода.

Всасывание (фиг. 10, А и Б). По углу поворота вала всасывание длится соответственно углу рабочего хода, но сочленение отверстия 3 наружного ротора с каналом кольца 30 будет больше на величину угла холостого хода. Это имеет положительное значение для выравнивания давления в системе подачи парогазовой смеси и в рабочих камерах ротора, т. е. будет способствовать более полному всасыванию. Кольца 30 не имеют сплошного кольцевого канала. Каналы в них соответствуют по длине углам сочленения для систем всасывания и выхлопа. Следовательно, каждое кольцо имеет в рассматриваемой конструкции по два канала и по два соединительных патрубка. Сечение каналов выбирается по расчету и может быть любым с целью уменьшения гидравлического сопротивления, влияния лишь на внешний габарит двигателя.

Сжатие (фиг. 10, В и Г). Сжатие осуществляется при движении ротора переменного вращения со скоростью в 8 раз превышающей скорость ротора постоянного вращения и совершается как описан выше. В действительности оно совершается на угле 90^о минус угол холостого хода и заканчивается когда элементы ротора займут исходное положение.

В соответствии с принятой для описания конструкцией, каждый из роторов имеет по четыре радиальных перегородки, которые образуют восемь изолированных камер. В работе участвуют только четыре камеры: I a, II б, III в, IV г, камеры а II, б III, в lV, г l в работе двигателя не участвуют. Объем в них изменяется соответственно объему в рабочих камерах. Когда ротор переменного вращения стоит, в камерах происходит уменьшение объема и наоборот. Если камеры оставить изолированными, то в них будет происходить сжатие или разрежение заключенных газов, что будет требовать определенных усилий и уменьшать КПД двигателя. Чтобы этого не происходило, все четыре камеры имеют отверстия 31 для сообщения с полостью корпуса двигателя. Такой свободный вход и выход газов (фиг. 10, Б и Г) из этих камер будет способствовать охлаждению двигателя и его смазке, так как при работе двигателя в полости корпуса будет масляный туман.

Для получения большего КПД при прочих равных условиях (площадь перегородок, габарит и др.) камеры должны иметь минимальную ширину по радиусу ротора и максимальную длину по оси. Во всяком случае, перегородки должны иметь форму прямоугольников, вытянутых по оси вала. В этом случае целесообразно их крепление по всей длине к роторам и соответствующим торцевым стенкам. Для увеличения полезного объема рабочих камер ротора целесообразно иметь перегородки в сечении не прямоугольной формы, а в виде усеченных клиньев углы которых будут определяться расчетом на прочность (изгиб). Поскольку клинья будут расположены навстречу друг другу, то экономия объема ротора составит примерно половину объема самих перегородок при клиновом сечении против прямоугольного.

Охлаждение наружного ротора постоянного вращения (например, орошением), корпус всего двигателя и другие постоянные элементы двигателя внутреннего сгорания не показаны, так как они решаются известными методами.

Если условно принять, что неизбежный угол 11,25^о и холостой ход будут вместе составлять 20^о, то рабочий ход составит 70^о. Следовательно, за каждый оборот вала будет совершаться 8 рабочих ходов, которые составят 70^о х 8 560^о. Однако, следует иметь в виду, что 2 рабочих хода совершаются одновременно, а это значит, что под действием рабочих ходов, вал будет проворачиваться только на 560^о/2 280^о, или при каждом повороте на 90^о он будет идти при рабочем ходе на 70^о и по инерции на 20^о. В этом случае при конструировании необходимо учитывать инерционные возможности ротора постоянного вращения или устанавливать маховик.

Другой способ состоит в том, что на вал устанавливаются по два ротора постоянного и переменного вращения с разводкой рабочего цикла в них на 45^о. В этом случае инерционных проворотов вала не будет, а мощность двигателя возрастает более чем в два раза. При такой компановке оба ротора переменного вращения могут работать от одного привода.