Роторный корпусно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям двигателей внутреннего сгорания. Роторный корпусно-поршневой двигатель, содержащий в себе корпус, установленный в нем ротор с лопастями, отличается тем, что для повышения КПД корпус имеет внутреннюю полость, представляющую в поперечном сечении замкнутую кривую типа эллипс, в которой вращается ротор с лопастями, которые имеют механизмы самоуплотнения и их положение в радиальном направлении контролируется копиром, что обеспечивает герметичность рабочих камер. Данная конструкция обеспечила возможность иметь две дополнительные фазы газораспределения, разделяющие фазу выпуска и впуска. Фаза продувки обеспечивает полную очистку рабочей полости от продуктов сгорания, а фаза перехода предотвращает утечку части свежего заряда из зоны впуска в зону выпуска, что повышает вес свежего заряда, снижает расход топлива, что ведет к повышению КПД, мощности и экономичности двигателя. 5 ил.

Известна конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с цилиндрической поверхностью внутренней полости, круговой цилиндрический ротор с лопастями и уплотнительными пластинами, причем лопасти имеют тангенциальные выступы и пазы, в которых установлены пластины, отличающиеся тем, что с целью повышения надежности, долговечности и КПД двигателя, а также упрощения конструкции лопасти в роторе расположены тангенциально, так что их выступы направлены по ходу вращения ротора и имеют внешнюю цилиндрическую поверхность с радиусом, равным по величине радиусу ротора. В роторе выполнены наружные выемки, поверхности которых сопряжены с внутренней поверхностью соответствующей лопасти и ее выступа, с возможностью расположения последних в выемках заподлицо с внешней поверхностью ротора, а корпус выполнен с овалообразным поперечным сечением в виде двух полуокружностей одинакового диаметра, сопрягаемых прямыми линиями [1].

Основным недостатком данной конструкции является сопряжение двух полуокружностей прямыми линиями. При переходе от радиуса конечного к радиусу бесконечному, при данном сопряжении неизбежны ударные нагрузки, так как ускорение в точке перегиба будет стремиться к бесконечности.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция роторно-поршневого двигателя, в котором возвратно-поступательное движение поршня, характерное для поршневого двигателя, заменено вращательным движением ротора, во время которого объемы полостей, образованные стенками корпуса и поверхностью треугольного ротора, дважды изменяются за полый оборот от минимальной до максимальной величины, при первом уменьшении объема происходит сжатие смеси, а при втором - выталкивание выпускных газов. Первое увеличение объема используется для наполнения свежим зарядом, второе для расширения продуктов сгорания. За полный оборот ротора осуществляется четырехтактный процесс. Смена рабочего тела происходит через окна, закрываемые и открываемые углами или краями ротора.

В РПД корпус имеет двухэпитрохиоидальный профиль, по которому движутся вершины треугольного ротора, совершающего полный оборот за три оборота эксцентрикового вала. Центр ротора вращается вокруг центра вала, а вращательное движение ротора создается обкатыванием закрепленной в роторе шестерни внутреннего зацепления вокруг неподвижно установленной в корпусе двигателя шестерни внешнего зацепления. Отдельные фазы рабочего процесса в трех полостях сдвинуты одна относительно другой на 120^o угла поворота ротора или 360^o поворота эксцентрикового вала. В отличие от поршневого двигателя окна в корпусе РПД все время открыты и вершина ротора соединяет впускной канал с двумя камерами. Вследствие этого отдельные фазы впуска и выпуска в смежных полостях двигателя частично перекрываются.

Недостатком прототипа является то, что во время продувки часть заряда перетекает в выпускной канал, что снижает экономичность двигателя. Несмотря на эффективную продувку, во время наполнения в полости сжатия остается значительное количество продуктов сгорания вследствие перетекания газов из предыдущей полости. Имеется дисбаланс двигателя, так как центр ротора вращается вокруг центра вала. Передача крутящего момента осуществляется посредством шестерен, что снижает КПД двигателя.

Целью изобретения является создание высокоэффективного двигателя внутреннего сгорания.

Указанная цель достигается тем, что корпус двигателя выполнен с цилиндрической внутренней полостью, имеющей в поперечном сечении замкнутую кривую, типа эллипс, с плавно изменяющимся размером радиус-вектора образующей, в зависимости от угла поворота ротора, помещенного в полость. Ротор имеет радиально расположенные лопасти. При вращении ротора центральный вектор криволинейной поверхности, который совпадает с вектором ротора, делящим угол, образующийся двумя соседними лопастями, пополам, дважды изменяется за полный оборот ротора от минимальной до максимальной величины. Объем, ограниченный двумя соседними лопастями, ротором и криволинейной поверхностью, при повороте ротора изменяется в зависимости от изменения размера радиус-вектора, таким образом, криволинейная поверхность корпуса выполняет функцию поршня. При первом уменьшении объема, начало отсчета при максимальном размере вектора, происходит сжатие смеси, а при втором - выталкивание выпускных газов. Первое увеличение объема используется для расширения продуктов сгорания, второе для наполнения полости свежим зарядом. За полный оборот ротора осуществляется четырехтактный процесс. Смена рабочего тела происходит через окна, открываемые и закрываемые лопастями ротора. Отдельные фазы рабочего процесса в полостях сдвинуты одна относительно другой на угол 360^o/p (где p - число лопастей) угла поворота ротора. Рабочий цикл двигателя содержит в себе кроме фаз впуска, сжатия, горения-расширения, выпуска также самостоятельную фазу продувки и зону перехода, что обеспечивает полную очистку камер рабочих от продуктов сгорания и предотвращает утечку свежего заряда из зоны впуска. Зона впуска и зона сгорания разделены рабочей камерой, находящейся в фазе сжатия, что предотвращает приток продуктов сгорания в камеру впуска. Ротор вращается вокруг оси вала двигателя, впускные, выпускные, продувочные окна постоянно открыты. Двигатель сконструирован так, что в каждой фазе рабочего цикла находится как минимум две рабочих камеры, что позволяет иметь в двигателе одновременное непрерывное протекание всех фаз рабочего цикла.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый двигатель отличается тем, что корпус двигателя имеет с цилиндрической полостью типа эллипс, с плавно изменяющимся радиус-вектором, что позволяет ему выполнять функцию поршня. Двигатель имеет газораспределение с дополнительными фазами газораспределения - фаза продувки и перехода. Ротор вращается вокруг оси вала двигателя. Таким образом, заявляемый двигатель соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан поперечный разрез двигателя, на фиг.2 показан разрез А-А, на фиг.3 - лопасть ротора, вид сбоку, на фиг.4 разрез А-А, на фиг.5 - разрез Б-Б, на фиг.1 совместно с поперечным разрезом показана круговая диаграмма фаз газораспределения двигателя.

Предлагаемый "Роторный корпусно-поршневой двигатель" внутреннего сгорания состоит из корпуса - фиг. 1, 2; щеки корпуса передней 5 и задней 12 -фиг. 1, 2; корпуса передней опоры 2 и задней 3 -фиг. 1; ротора с валом 4 -фиг. 1, 2; резьбовых колец 6 -фиг. 2; опорных подшипников 7; упорного 10 -фиг. 2; лопастей ротора 8 -фиг. 1; колец уплотнения 9 с пружинными кольцами 11- фиг. 2; копиров 13 -фиг. 2. Лопасти 8 фиг. 1 сборные и состоят из двух пластин 14, 15 -фиг. 2, 3, 4, 5; пружины 18 -фиг. 4, 5; пластины 16 и пружины 17- фиг. 4, 5; отжимающих лопасти 8 - фиг. 1 к корпусу 1- фиг. 1, 2. Ротор 4 установлен в полости корпуса 1 на подшипниках 7, 10 и зафиксирован от продольного/осевого перемещения резьбовыми кольцами 6 - фиг. 2. Щеки корпуса 2, 12 -фиг. 1, 2- имеют окна: впускные "3", выпускные "В" и продувочные "П".

Роторный корпусно-поршневой двигатель работает следующим образом. При вращении ротора в опорах 7 и 10 пластины 16 скользят по поверхности копиров 13, отжимая лопасти 8 к поверхности корпуса 1, а пластины 14, 15 пружиной 18 прижимаются к поверхности щек 5, 12. При положении главного радиус-вектора в нулевом положении объем рабочей полости имеет максимальную величину, в это время происходит ее закрытие и начинается процесс сжатия, который заканчивается при достижении ротором угла поворота 90^o, в этом положении ротора 4 рабочая полость имеет минимальный объем и начинается процесс горения рабочей смеси. От угла поворота 90^o до угла поворота 158^o протекает процесс горения-расширения, который сменяется процессом выпуска. Выпуск происходит от угла 158^o до угла поворота главного вектора 277^o 30', перекрываясь с угла поворота 202^o 30' процессом продувки, которая заканчивается при повороте вектора до 270^o, обеспечивая полную очистку рабочей полости от продуктов сгорания. С угла поворота 225^o рабочая полость входит в зону перехода и выходит из нее при достижении вектором угла поворота 315^o. В зоне перехода, при проходе через нее рабочей полости, образуются участки P1-пониженного давления и P2-повышенного давления, что исключает утечку свежего заряда в зону продувки. Процесс впуска начинается с угла поворота радиус-вектора 270^o и заканчивается при угле поворота 360^o. Из диаграммы протекания рабочего процесса можно сделать вывод, что во время работы двигателя одновременно в различных рабочих полостях со сдвигом 45^o одновременно интенсивно протекают все рабочие процессы. Зона впуска отделена от зоны горения рабочей полостью, находящейся в фазе сжатия, что гарантирует от прорыва продуктов сгорания в зону впуска. Продувка осуществляется атмосферным воздухом, принудительно подаваемым в зону продувки за счет прокачки его в зону пониженного давления выхлопного коллектора.

Основным показателем экономической эффективности двигателя является удельный расход топлива g_e= 3600/H_иη_e [2], где H_н - низшая теплота сгорания топлива: η_e - эффективный КПД двигателя η_e= η_iη_м, где η_i - индикаторный КПД; η_м - механический КПД.

У роторных двигателей механический КПД выше, чем у поршневых, и достигает 85 - 90%, а значит, и удельный расход топлива будет ниже. При полной очистке рабочих объемов увеличится литровая мощность двигателя, а за счет устранения потерь свежего заряда снизится эксплуатационный расход топлива, что при значительном снижении габаритов и веса двигателя неизбежно даст положительный эффект.

Формула изобретения

Роторный корпусно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрической внутренней полостью, круговой цилиндрический ротор с лопастями, отличающийся тем, что рабочие полости (объемы) расположены по периметру ротора, циклическое изменение объемов рабочих полостей выполняется цилиндрической поверхностью корпуса, имеющей в поперечном сечении замкнутую кривую типа эллипс с плавно изменяющимся радиус-вектором образующей, в зависимости от угла поворота ротора имеет две дополнительные фазы газораспределения - фазу продувки и фазу перехода, радиальное положение лопастей контролируется копиром.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5