Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить удельную мощность и равномерность крутящего момента. Двигатель содержит корпус с внутренней цилиндрической полостью и боковыми крышками, в которой концентрично установлен ротор-поршень, имеющий боковые поверхности, радиальные выступы и радиальные впадины на периферийной поверхности, образующий с корпусом сегментные полости. Боковые поверхности ротора-поршня плотно прилегают к боковым крышкам. Радиальные выступы периферийной поверхности ротора-поршня плотно прилегают к внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса. Камера сгорания размещена за пределами внутренней цилиндрической полости и сообщается с нею с помощью входных и выходных каналов, снабженных управляемыми золотниками. Разделительные лопатки установлены с возможностью радиального перемещения в пазах корпуса и внутренних поверхностей боковых крышек и образуют с радиальными впадинами ротора-поршня, внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и боковыми крышкам корпуса рабочие сегментные полости. Двигатель снабжен второй камерой сгорания, идентичной первой камере сгорания и изолированной от нее. Первая камера сгорания сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью первого входного и первого выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками. Вторая камера сгорания сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью второго входного и второго выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Роторные двигатели являются альтернативой обычных четырехтактных ДВС. Обычно роторный двигатель содержит ротор- поршень, который вращается внутри корпуса и нагнетает воздух или топливо-воздушную смесь в камеру сгорания, где происходит сгорание и затем осуществляется рабочий ход за счет энергии продуктов сгорания.

Известен роторно-поршневой ДВС, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и боковыми крышками, в которой концентрично с возможность вращения установлен ротор-поршень, имеющий боковые поверхности, два радиальных выступа и две радиальные впадины, причем боковые поверхности ротора-поршня плотно прилегают к боковым крышкам, радиальные выступы ротора-поршня плотно прилегают к внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса; впускные и выпускные каналы; две разделительные лопатки, установленные во внутренней цилиндрической полости корпуса между входным и выходным каналами и подпружиненные в направлении ротор- поршня разделительные лопатки, расположенные между впускным и выпускным каналами с возможностью радиального перемещения (пат США N 3040530, 1962). Корпус снабжен также камерой сгорания. Ротор-поршень и разделительные лопатки разделяют внутреннюю полость на четыре камеры, в каждой из которых осуществляются такты впуска, нагнетания, рабочего хода и выпуска ДВС.

Недостатком такой конструкции является наличие значительного трения между разделительными лопатками и поверхностью ротора, что приводит к интенсивному износу их поверхностей и, как следствие, обусловливает низкий ресурс работы двигателя.

Наиболее близким к настоящему изобретению является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и боковыми крышками, в которой концентрично с возможностью вращения установлен ротор-поршень, имеющий боковые поверхности, два радиальных выступа и две радиальные впадины, причем боковые поверхности ротора- поршня плотно прилегают к боковым крышкам, радиальные выступы ротора-поршня плотно прилегают к внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса. Камера сгорания размещена за пределами внутренней цилиндрической полости и сообщается с нею с помощью входного и выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками. Двигатель содержит также впускные и выпускные каналы, две разделительные лопатки, установленные во внутренней цилиндрической полости корпуса между входным и выходным каналами и между впускным и выпускным каналами с возможностью радиального перемещения (пат. США N 3579733, МКИ F 02 B, 1996). Разделительные лопатки с радиальными впадинами ротора-поршня, внутренней поверхностью цилиндрической полости корпуса и боковыми крышкам образуют рабочие полости. Двигатель снабжен механизмом управления разделительными лопатками, который отводит и подводит разделительные лопатки синхронно с вращением ротора так, что обеспечивается их плотный контакт с поверхностью ротора, однако без значительной механической нагрузки между контактирующими поверхностями.

При работе этого двигателя одновременно происходит рабочий ход в прилегающей к камере сгорания рабочей камере, такт выпуска в следующей по ходу вращения ротора рабочей полости, такт сжатия в другой прилегающей к камере сгорания рабочей полости и такт выпуска в предшествующей ей рабочей полости. Как только давления в рабочей полости, где происходит рабочий ход, сравняется с давлением в рабочей полости, где происходит такт сжатия, происходит одновременное закрытие выходного канала камеры сгорания и открытие входного канала камеры сгорания. В этот момент еще не произошла полная очистка камеры сгорания и в ней еще имеется заметное избыточное давление. Это означает, что дальнейшее сжатие воздуха или топливо-воздушной смеси происходит за счет торможения ротора, а свежая порция топливо-воздушной смеси будет загрязнена продуктами сгорания, оставшимися к камере сгорания от предыдущего цикла. В результате в работе двигателя наблюдается заметная неравномерность крутящего момента, а также происходит снижение энергетической эффективности двигателя в целом из-за ухудшения условий сгорания смеси в камере сгорания.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание роторно-поршневого ДВС, в котором такт сжатия будет осуществляться в практически полностью очищенной от продуктов сгорания камере сгорания при исходном давлении, равном или близком к давлению окружающей среды, т.е. атмосферному.

Поставленная задача решается тем, что в известном роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем: корпус с внутренней цилиндрической полостью и боковыми крышками, в которой концентрично с возможностью вращения установлен ротор-поршень, имеющий боковые поверхности, радиальные выступы и радиальные впадины на периферийной поверхности, образующий с корпусом сегментные полости, причем боковые поверхности ротора-поршня плотно прилегают к боковым крышкам, радиальные выступы периферийной поверхности ротора-поршня плотно прилегают к внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса; камеру сгорания, размещенную за пределами внутренней цилиндрической полости и сообщающуюся с нею с помощью входных и выходных каналов, снабженных управляемыми золотниками, выпускные и впускные каналы, разделительные лопатки, установленные с возможностью радиального перемещения в пазах корпуса и внутренних поверхностей боковых крышек между входными и выходными каналами камер сгорания и между выпускными и впускными каналами, контактирующие с периферийной поверхностью ротора-поршня и образующие с радиальными впадинами ротора-поршня, внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и боковыми крышкам корпуса рабочие сегментные полости и связанные с механизмом управления, отличается тем, что двигатель снабжен второй камерой сгорания, идентичной первой камере сгорания и изолированной от нее, первая камера сгорания сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью первого входного и первого выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками, а вторая камера сгорания сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью второго входного и второго выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками.

При таком выполнении камеры сгорания работают в противофазе: когда в первой камере происходит сгорание топливо-воздушной смеси и продукты сгорания осуществляют рабочий ход, во вторую камеру нагнетается свежая порция воздуха или топливо-воздушной смеси. После окончания рабочего хода первая камера через соответствующие рабочую полость и выпускной канал сообщается с окружающей средой и практически полностью освобождается от продуктов сгорания. После этого в нее начинается нагнетание свежей порции воздуха или топливо-воздушной смеси, а сжатая топливо-воздушная смесь во второй камере воспламеняется.

Для обеспечения равноценных условий работы обеих камер угловые координаты первого и второго входных каналов камер сгорания одинаковы, а также угловые координаты первого и второго выходных каналов камер сгорания одинаковы. При этом угловые координаты выпускных каналов одинаковы, а также угловые координаты впускных каналов одинаковы.

Предпочтительным является роторно-поршневой двигатель, который содержит ротор-поршень по меньшей мере с четырьмя радиальными выступами, четырьмя радиальными впадинами на периферийной поверхности и двумя парами камер сгорания.

Более предпочтительным является роторно-поршневой двигатель, который содержит ротор-поршень с 6 радиальными выступами и 6 радиальными впадинами и 8 камер сгорания.

В общем случае роторно-поршневой двигатель может содержать ротор-поршень с N радиальными выступами и N радиальными впадинами и n камер сгорания при условии, что N ≥ 4 и n ≥ 4.

Более подробно изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых показан пример реализации двигателя с шестью рабочими сегментными полостями и четырьмя парами камерам сгорания: Фиг. 1 - поперечное сечение двигателя; Фиг. 2 - сечение А-А двигателя по камерам сгорания.

Двигатель состоит из корпуса 1 статора с внутренней цилиндрической полостью и боковыми крышками (на фиг.1 не видны). В цилиндрической полости корпуса 1 концентрично установлен ротор-поршень 2, имеющий боковые поверхности, радиальные выступы 3 и радиальные впадины 4. Боковые поверхности ротора-поршня плотно прилегают к боковым крышкам, а радиальные выступы 3 ротора-поршня 2 плотно прилегают к внутренней поверхности цилиндрической полости корпуса 1 статора. На корпусе 1 вне его цилиндрической полости равномерно по окружности установлены четыре пары 5 камер сгорания 6' и 6'', которые могут быть снабжены каналами для впрыска топлива (фиг. 2). Камера 6' сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью первого входного 7' и первого выходного 8' каналов. Камера 6'' сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью второго входного 7'' и второго выходного 8'' каналов.

Для обеспечения равноценных условий работы обеих камер 6' и 6'' угловые координаты первого входного канала 7' во внутреннюю цилиндрическую полостью корпуса 1 и угловые координаты второго входного канала 7'' во внутреннюю цилиндрическую полость корпуса 1 в целом совпадают и угловые координаты первого 8' выходного канала во внутреннюю цилиндрическую полостью корпуса 1 и угловые координаты второго выходного канала 8'' во внутреннюю цилиндрическую полость корпуса 1 также в целом совпадают.

Открытие и закрытие входных 7 и выходных 8 каналов осуществляется в зависимости от угла поворота ротора-поршня 2 в соответствии с заданным алгоритмом, например, с помощью золотниковых газораспределительных механизмов, которые могут быть традиционными или любыми иными и в данной заявке не описываются.

Корпус 1 также снабжен впускными 9 и выпускными 10 каналами, расположенными попарно равномерно по окружности корпуса 1 между парами 5 камер сгорания.

В пазах корпуса 1 между входным 7 и выходным каналами 8 и между впускными 9 и выпускными 10 каналами установлены с возможностью радиального перемещения разделительные лопатки 11. Эти лопатки 11 плотно прилегают к периферийному профилю ротора-поршня и размещены в пазах корпуса и боковых крышек, в результате чего они вместе с радиальными впадинами 4 ротора- поршня 2, внутренней поверхностью цилиндрической полости корпуса 1 и боковыми крышкам корпуса 1 разделяют рабочие полости 12 на две части.

Управление разделительными лопатками 11 осуществляется с помощью механизма, который производит их подъем и опускание в зависимости от угла поворота ротора-поршня 2 так, чтобы лопатки 11 скользили по радиальным выступам 3 и радиальным впадинам 4 ротора 2 и обеспечивали разделение соседних рабочих полостей с минимальными утечками. Этот механизм может быть традиционным или любым иным и в данной заявке не описывается.

Ясно, что все пары элементов, которые должны обеспечивать разделение соседних рабочих полостей, снабжены уплотнениями, которые в данной заявке не рассматриваются и не описываются.

Кроме того, двигатель снабжен обычными системами обеспечения его работы: системой питания, карбюраторной или инжекционной, системой смазки, системой электрообеспечения, выхлопной системой и другими стандартными для ДВС системами и устройствами, которые в данной заявке не описаны.

Наконец, описанная конструкция может быть одним из блоков двигателя, состоящего из нескольких таких блоков, имеющих общий вал и общие системы обеспечения.

В упрощенном представлении работа двигателя происходит следующим образом. Ротор-поршень 2 вращается в цилиндрической полости корпуса 1 и по его выступам 3 и впадинам 4 скользят разделительные лопатки 11, в результате чего объемы всех рабочих полостей циклически изменяются между минимальным и максимальным значениями. В любой момент времени в одной из камер каждой из пар 5 камер сгорания происходит сгорание рабочей смеси. Продукты сгорания под высоким давлением через открытый выходной канал 8 поступают в следующую за разделительной лопаткой 11 рабочую полость 12, где, благодаря наличию тангенциальной составляющей давления продуктов сгорания, возникает крутящий момент, приложенный к ротору- поршню. Входной канал 7 этой камеры в данный момент закрыт. Иными словами, в данной рабочей полости происходит такт рабочего хода. Аналогичные процессы в это же время происходят в диаметрально противоположно расположенных камерах сгорания, что вызывает пару сил вращающего момента.

В это же время во вторую камеру этой пары камер сгорания через открытый входной канал 7 нагнетается свежая топливо- воздушная смесь из рабочей полости, расположенной до этой камеры сгорания. Выходной канал этой камеры в это время закрыт. Т.е. в этой камере осуществляется такт сжатия. Когда объем этой рабочей полости приблизится с минимальному, т.е. при завершении такта сжатия, в смежной рабочей полости завершается такт рабочего хода и она сообщается с выпускным каналом 10, через который и происходит выпуск отработанных газов, которые далее вытесняются через выпускной канал 10. Одновременно закрывается входной канал 7 этой второй камеры. Затем сжатая в этой второй камере топливо-воздушная смесь воспламеняется, выходной канал 8 этой камеры открывается и теперь уже во второй камере и соединенной с нею рабочей полости происходит рабочий ход.

Аналогично происходит переключение золотников в первой камере, т.е. открывается входной канал 7 и закрывается выходной канал 8, и в эту первую камеру нагнетается свежая топливо-воздушная смесь. Засасывание свежей топливо-воздушной смеси в рабочие полости происходит после прохождения выступами 3 разделительных лопаток 11, расположенных между впускными 9 и выпускными 10 каналами.

В изображенном на фиг. 1 варианте двигатель имеет шесть радиальных выступов, шесть радиальных впадин и четыре камеры сгорания. За один оборот ротора-поршня произойдет 12 сдвоенных рабочих ходов со сдвигом 30^o. Для сравнения: в шестицилиндровом четырехтактом ДВС за один оборот коленвала происходит три рабочих хода со сдвигом 120^o. В известном роторно-поршневом двигателе по патенту США N 3579733 за один оборот вала происходит два рабочих хода. Следовательно, заявляемый двигатель будет обеспечивать более высокую равномерность крутящего момента.

Кроме того, в отличие от двигателя по патенту США N 3579733, каждая камера пары камер сгорания в конце рабочего хода сообщается с выпускным каналом, в результате чего давление отработанных газов в ней будет близко к атмосферному. Следовательно, затраты энергии на сжатие свежей топливо-воздушной смеси в этом двигателе будут снижены в сравнении с этими затратами в двигателе по патенту США N 3579733. При этом снижается загрязнение свежей смеси продуктами сгорания, что способствует улучшению сгорания топлива и повышению энергетической эффективности двигателя по изобретению.

Формула изобретения

1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и боковыми крышками, в которой концентрично с возможностью вращения установлен ротор-поршень, имеющий боковые поверхности, радиальные выступы и радиальные впадины на периферийной поверхности, образующий с корпусом сегментные полости, причем боковые поверхности ротора-поршня плотно прилегают к боковым крышкам, радиальные выступы периферийной поверхности ротора-поршня плотно прилегают к внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса, камеру сгорания, размещенную за пределами внутренней цилиндрической полости и сообщающуюся с нею с помощью входных и выходных каналов, снабженных управляемыми золотниками; выпускные и впускные каналы; разделительные лопатки, установленные с возможностью радиального перемещения в пазах корпуса и внутренних поверхностей боковых крышек между входными и выходными каналами камер сгорания и между выпускными и впускными каналами, контактирующие с периферийной поверхностью ротора-поршня и образующие с радиальными впадинами ротора-поршня, внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и боковыми крышками корпуса рабочие сегментные полости и связанные с механизмом управления, отличающийся тем, что двигатель снабжен второй камерой сгорания, идентичной первой камере сгорания, которая изолирована от первой камеры и вместе с ней образует пару камер сгорания, первая камера сгорания сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью первого входного и первого выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками, а вторая камера сгорания сообщается с внутренней цилиндрической полостью корпуса с помощью второго входного и второго выходного каналов, снабженных управляемыми золотниками.

2. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что угловые координаты первого и второго входных каналов в паре камер сгорания одинаковы, а также угловые координаты первого и второго выходных каналов в паре камер сгорания одинаковы.

3. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что угловые координаты выпускных каналов одинаковы, а также угловые координаты впускных каналов одинаковы.

4. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что он содержит ротор-поршень с по меньшей мере четырьмя радиальными выступами, четырьмя радиальными впадинами на периферийной поверхности и двумя парами камер сгорания.

5. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что он содержит ротор-поршень с 6 радиальными выступами и 6 радиальными впадинами и 4 пары камер сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2