Роторный двигатель внутреннего сгорания лопаточного типа

 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить надежность, долговечность и экономичность двигателя. Двигатель содержит полый корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и жестко установленными на нем торцевыми крышками, ротор с лопатками, расположенный эксцентрично относительно корпуса и образующий между своей внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса рабочую камеру двигателя, систему подачи топлива, систему подачи сжатого воздуха, систему газообмена, элемент поджига, отверстия для подвода сжатого воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и отверстие для установки элемента поджига. Двигатель отличается тем, что ротор снабжен торцевыми крышками, жестко установленными на оси корпуса, на боковой цилиндрической поверхности ротора, параллельно его оси, выполнены сквозные цилиндрические отверстия, в каждом из которых установлен шарнирный механизм, соединяющий ротор с лопатками. При этом шарнирный механизм выполнен в виде цельного цилиндра с выемкой на его боковой поверхности, в которой расположен цилиндрический сухарик с прорезью под лопатку, жестко прикрепленную к торцевым крышкам ротора, цилиндр и сухарик имеют возможность свободного вращения относительно отверстий, в которых они размещены, торцевые крышки ротора и лопатки имеют систему уплотнения на поверхности, обращенной к внутренней поверхности корпуса и образуют с ней гарантированный зазор, а отверстия для подачи воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и отверстие для установки элемента поджига выполнены на цилиндрической поверхности корпуса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к роторным двигателям, и может быть использовано в любой отрасли как силовой агрегат.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ N 2013595 кл. F 02 B 53/00), содержащий корпус с цилиндрической полостью, впускным и выпускными каналами, клапанами, форсунками, камерами сгорания и рубашкой охлаждения, ротор, лопатки с шарнирами, уплотнительные планки и стальные пружины-пластины, установленные в пазах ротора, который размещен в полости эксцентрично ее оси, механизм синхронизации движения и маховики. Ротор выполнен с секторными замкнутыми полостями, частично заполненными металлическим натрием, и снабжен жестко связанными с ним боковыми дисками, которые выполнены с большим диаметром по сравнению с ротором, установлены с возможностью скольжения по корпусу и имеют валы и цилиндрические эксцентрично смещенные выступы. Диски установлены в проточках корпуса и сопряжены с ними с возможностью вращательно-качательного движения и периодического перекрытия каналов, расположенных в крышках корпуса. Ротор снабжен валами, установленными на подшипниках в отверстиях, эксцентрично расположенных на маховиках, последние снабжены прямыми выходными валами, пропущенными через боковые крышки корпуса и установленными в них на подшипниках. Механизм синхронизации движения ротора выполнен в виде неподвижно установленных выступов, расположенных эксцентрично на боковых дисках, причем эти цилиндрические выступы размещены в прямолинейных пазах корпуса, выполненных в крышках корпуса, и сопряжены с ними. Пазы в роторе сделаны глухими и сопряжены с шарнирами лопаток, выполненными из двух полых сегментов, связанных один с другим соединительной пружиной-пластиной, полости которых частично заполнены металлическим натрием, а в глухом пазу установлены пружинные уплотнительные планки. Двусторонние лопатки расположены в глухих пазах ротора между сегментами с возможностью двустороннего движения и двустороннего качания и снабжены ограничителями движения в пазах, выполненных в виде подпружиненных планок, установленных в сегментах. Лопатки имеют на концах клиновидные выточки, сопряженные с ограничителями движения, при этом каждая камера сгорания выполнена шарообразной формы и снабжена форсункой.

Недостатком такого двигателя является сложность конструкции, связанная с большим количеством сопряженных деталей, образующих рабочие камеры, и наличие системы газораспределительного механизма. Высокая точность изготовления большого количества сопряженных деталей делает сложной технологию изготовления двигателя. Недостатком двигателя является также низкий КПД, связанный с проблематичностью обеспечения необходимого давления в рабочих камерах из-за сложности выполнения эффективного уплотнения.

Другим недостатком является ненадежность работы двигателя, связанная с дисбалансом ротора, который возникает вследствие несовпадения центра масс вращающейся системы с осью вращения. Наличие больших инерционных сил, возникающих при повышенных оборотах двигателя, ускоряет износ внутренних деталей, уменьшающий долговечность двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является роторный двигатель внутреннего сгорания лопаточного типа (патент РФ N 2028476, кл. F 02 B 53/00, 1995 г.), содержащий полый корпус, торцевые крышки с установленными в них неподвижными торцевыми уплотнительными газотопливораспределительными шайбами и отверстиями для сжатого воздуха, цилиндрический ротор с пазами и лопатками, установленными в пазах с возможностью возвратно-поступательного движения, рабочую камеру, свечу зажигания, системы топливоподачи и газообмена. В торцевых крышках и шайбах выполнены соосные отверстия соответственно для подвода сжатого воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и установки свечи зажигания.

Недостатками такой конструкции являются низкая надежность и недолговечность работы двигателя, связанная с быстрым износом торцевой поверхности лопаток, которые при вращении ротора находятся в постоянном контакте с внутренней поверхностью корпуса, а также из-за износа других внутренних деталей в связи со сложностью смазки трущихся поверхностей, что ведет к перегреву, быстрому износу деталей и возможному заклиниванию двигателя. Кроме того, недостатком является нестабильность работы двигателя при запуске и на малых оборотах из-за прорыва газов через торцевые уплотнения лопаток и корпуса.

Задача изобретения - повышение надежности и экономичности работы двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания лопаточного типа, содержащем полый корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и жестко установленными на нем торцевыми крышками, ротор с лопатками, расположенный эксцентрично относительно корпуса и образующий между своей внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса рабочую камеру двигателя, систему подачи топлива, систему подачи сжатого воздуха, элемент поджига, отверстия для подвода сжатого воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и отверстие для установки элемента поджига, согласно изобретению ротор снабжен торцевыми крышками, жестко установленными на оси корпуса, на боковой цилиндрической поверхности ротора, параллельно его оси, выполнены сквозные цилиндрические отверстия, в каждом из которых установлен шарнирный механизм, соединяющий ротор с лопатками, причем шарнирный механизм выполнен в виде цельного цилиндра с выемкой на его боковой поверхности, в которой расположен цилиндрический сухарик с прорезью под лопатку, которая жестко прикреплена к торцевым крышкам ротора, цилиндр и сухарик имеют возможность свободного вращения относительно отверстий, в которых они размещены, торцевые крышки ротора и лопатки имеют систему уплотнения на поверхности, обращенной к внутренней поверхности корпуса, и образуют с ней гарантированный зазор, а отверстия для подачи воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и отверстие для установки элемента поджига выполнены на цилиндрической поверхности корпуса.

Элемент поджига может быть выполнен в виде калильного элемента, а на внутренней поверхности корпуса в области его максимального приближения к ротору может быть выполнена перепускная канавка для поджига рабочей смеси.

Такая конструкция двигателя позволяет разгрузить лопатки благодаря переносу нагрузки на крышки ротора, что существенно уменьшает износ лопаток и механизм их крепления. Жесткое крепление лопаток в крышках ротора в сочетании с шарнирным механизмом, компенсирующим эксцентриситет вращающегося ротора за счет колебательного движения механизма вокруг собственной оси вращения, обеспечивает гарантированный зазор между внутренней поверхностью корпуса и торцевыми поверхностями крышек ротора и лопаток. Гарантированный зазор позволяет создать эффективную систему уплотнения и увеличить площадь герметизации торцевых поверхностей лопаток относительно внутренней поверхности корпуса, что обеспечивает лучшую герметичность рабочей камеры при работе двигателя. Уменьшение износа внутренних деталей двигателя и возможности его заклинивания, а также улучшение герметичности рабочей камеры, сводящей к минимуму прорыв газов из рабочих камер, делают работу двигателя более надежной, долговечной и экономичной.

На чертеже показаны поперечный и продольный разрезы двигателя.

Роторный двигатель внутреннего сгорания лопаточного типа содержит полый корпус 1 с внутренней цилиндрической поверхностью с жестко установленными на нем торцевыми крышками 2, 3, ротор 4, расположенный эксцентрично относительно корпуса 1, образующий между своей внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса рабочие камеры двигателя 18-23. Ротор снабжен торцевыми крышками 6, 7, жестко установленными на оси корпуса 1, к которым жестко прикреплены лопатки 8. На боковой цилиндрической поверхности ротора 4 параллельно его оси выполнены сквозные цилиндрические отверстия, в каждом из которых установлен шарнирный механизм (11-12), соединяющий ротор 4 с лопатками 8. Шарнирный механизм выполнен в виде цилиндра 11 с выемкой на его боковой поверхности, в которой расположен цилиндрический сухарик 12 с прорезью под лопатку 8. Цилиндр 11 и сухарик 12 имеют возможность свободного вращения относительно отверстий, в которых они размещены, а лопатка 8 имеет возможность продольного перемещения относительно сухарика 12. На цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнены отверстия 13, 14, 15, 16 соответственно для выпуска отработавших газов, для подачи сжатого воздуха, топлива и отверстие для установки элемента, поджига, выполненного, например в виде калильного элемента 17. Системы подачи сжатого воздуха, топлива и газообмена на чертеже не показаны. На внутренней поверхности корпуса в области его максимального приближения к ротору выполнена перепускная канавка 16 для поджига рабочей смеси. Торцевые крышки ротора 6 7 и лопатки 8 имеют уплотнения на поверхности, обращенной к внутренней поверхности корпуса, и образуют с ней гарантированный зазор. Роль системы уплотнения выполняют микронеровности на поверхности лопаток и канавки на крышках ротора, которые совместно с гарантированными зазорами образуют радиальное лабиринтно-вихревое бесконтактное уплотнение крышек ротора и лопаток.

Предложенный роторный двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора по часовой стрелке в момент совмещения полости между лопатками с отверстием 14 происходит наполнение полости свежим зарядом воздуха при давлении P1. Когда полость между лопатками перестает сообщаться с отверстием 14, происходит подача топлива через отверстие 15, начинается процесс сжатия, который заканчивается при достижении положения минимального объема полости между лопатками с повышением давления до P2. В этот момент от свечи зажигания 17 поджигается топливовоздушная смесь, после чего происходят процесс сгорания топлива с повышением давления до P3 и последующий процесс расширения до совмещения полости между лопатками с отверстием 13, через которое происходит выпуск отработавших газов с падением давления до атмосферного. При дальнейшем повороте ротора полость соединяется с отверстием 14, цикл заканчивается и начинается новый. Аналогичные процессы повторяются в других соседних межлопаточных рабочих объемах.

Таким образом, в роторном двигателе за один оборот при n лопатках происходит n вспышек топливовоздушной смеси и соответственно n рабочих циклов.

Воспламенение топливовоздушной смеси с помощью элемента поджига 17 обеспечивается только при запуске двигателя. Последующее воспламенение топливовоздушной смеси обеспечивается от пламени предыдущей полости с помощью перепускной канавки 16 в момент перехода лопатки через зону перепускной канавки. Подача топлива в межлопаточные полости может происходить как непрерывно, так и циклически в зависимости от конструкции системы подачи топлива.

При работе двигателя в зазорах торцевых и радиальных уплотнений образуются турбулентные потоки газовой среды, которые препятствуют прорыву газов в рабочую камеру. Наличие канавок и микронеровностей создает дополнительное уплотнение. Степень уплотнения возрастает с увеличением частоты вращения двигателя.

Шарнирный механизм компенсации эксцентриситета вращающегося ротора работает следующим образом: при вращении крышек ротора с лопатками каждая лопатка 8 увлекает за собой сухарик 12, который в свою очередь заставляет цилиндр 11 поворачиваться в отверстии ротора.

Конструкция шарнирного механизма исключает возможность перекосов и заклинивания в нем деталей в любых режимах работы двигателя, обеспечивает герметичность между сопряженными деталями механизма для прорыва газов в рабочую камеру, а также делает доступной смазку его деталей. Все это значительно сокращает износ деталей шарнирного механизма и делает его работу надежной и долговечной.

Так как отбор мощности происходит непосредственно с крышек ротора, то механические потери двигателя в основном определяются моментом сопротивления вращению ротора и потерями на трение в шарнирных механизмах, которые в свою очередь зависят от момента сопротивления вращению ротора. Величина этого момента определяется конструкцией подшипникового узла ротора и является достаточно малой, что увеличивает КПД двигателя.

Таким образом уменьшение износа внутренних деталей двигателя и уменьшение возможности его заклинивания, а также улучшение герметичности рабочей камеры, сводящей к минимуму прорыв газов, делают работу двигателя более надежной, долговечной и экономичной.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания лопаточного типа, содержащий полый корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и жестко установленными на нем торцевыми крышками, ротор с лопатками, расположенный эксцентрично относительно корпуса и образующий между своей внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса рабочую камеру двигателя, систему подачи топлива, систему подачи сжатого воздуха, систему газообмена, элемент поджига, отверстия для подвода сжатого воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и отверстие для установки элемента поджига, отличающийся тем, что ротор снабжен торцевыми крышками, жестко установленными на оси корпуса, на боковой цилиндрической поверхности ротора, параллельно его оси, выполнены сквозные цилиндрические отверстия, в каждом из которых установлен шарнирный механизм, соединяющий ротор с лопатками, причем шарнирный механизм выполнен в виде цельного цилиндра с выемкой на его боковой поверхности, в которой расположен цилиндрический сухарик с прорезью под лопатку, которая жестко прикреплена к торцевым крышкам ротора, цилиндр и сухарик имеют возможность свободного вращения относительно отверстий, в которых они размещены, торцевые крышки ротора и лопатки имеют систему уплотнения на поверхности, обращенной к внутренней поверхности корпуса, и образуют с ней гарантированный зазор, а отверстия для подачи воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и отверстие для установки элемента поджига выполнены на цилиндрической поверхности корпуса.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что элемент поджига выполнен в виде калильного элемента.

3. Двигатель по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса в области его максимального приближения к ротору выполнена перепускная канавка для поджига рабочей смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1