Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение уровня шума и повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр с четырьмя секторными поршнями, попарно жестко закрепленными на соосных валах и разделяющими полость цилиндра на камеры переменного объема, а также механизм преобразования движения и камеру сгорания. Цилиндр закрыт с торцов крышками. Камера сгорания вынесена за пределы полости цилиндра и сообщается на входе и на выходе с полостью цилиндра через окна перепуска и приема, причем в камере расположен распылитель форсунки подачи топлива. Согласно изобретению камера сгорания выполнена в форме трубки, а окна перепуска и приема выполнены в крышках. 7 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а конкретно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, преимущественно автомобильным.

Известен двигатель внутреннего сгорания с четырьмя секторными поршнями, попарно закрепленными на соосных валах и синхронизированных с помощью двух эллиптических зубчатых передач (см. журнал "Техника - молодежи", 3, 1999, стр. 5-6).

Известен также двигатель внутреннего сгорания, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому и принятый за прототип (см. патент Российской Федерации 2043521, кл. F 02 В 53/00, F 02 С 1/00, опубл. 10.09.95, бюлл. 25). Он содержит корпус с цилиндрической полостью, у которой с образованием камер переменного объема установлены по меньшей мере две поворотные лопасти, боковые диски и рабочие валы, а также выходной вал и механизм преобразования движения, имеющий две пары эллиптических шестерен.

Основным недостатком прототипа и всех традиционных ДВС является то, что сгорание рабочей смеси происходит практически мгновенно по сравнению с продолжительностью времени полного рабочего цикла. По причине ограниченности времени горения в камере сгорания образуются сажа и другие продукты неполного окисления топлива. Для борьбы с этим повышают температуру горения. При этом повышается выброс токсичных окислов азота.

Также недостатком прототипа является размещение окон газообмена на поверхности цилиндра, что приведет к потерям смазочного масла, попадающего в окна под действием центробежной силы при движении лопастей.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении выбросов токсичных веществ двигателем, снижение уровня шума и потерь смазочного масла, и повышение КПД двигателя.

Технический результат достигается тем, что роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр по меньшей мере с четырьмя секторными поршнями, попарно жестко закрепленными на соосных валах и разделяющими полость цилиндра на камеры переменного объема, закрытый с торцов крышками, радиальные и торцевые уплотнения, форсунку подачи топлива и механизм преобразования движения. Двигатель снабжен камерой сгорания, вынесенной за пределы полости цилиндра, выполненной в форме трубки, сообщающейся на входе и на выходе с полостью цилиндра через окна перепуска и приема, выполненные в крышках. Двигатель содержит механизм регулирования давления впуска и механизм регулирования силы сжатия крышек, крышки закреплены неподвижно относительно цилиндра, а распылитель форсунки подачи топлива установлен в камере сгорания.

Механизм регулирования давления впуска включает мембрану, дроссельную заслонку, систему штанг и рычагов, связывающих мембрану с дроссельной заслонкой.

Механизм регулирования силы сжатия крышек включает мембрану, установленную на одной из крышек, рычаг, связанный с мембраной, цилиндром и соответствующей крышкой.

Радиальные уплотнения снабжены противовесами для уравновешивания центробежных сил.

Крышки снабжены пружинами сжатия для обеспечения торцевого уплотнения.

Роторно-поршневой двигатель снабжен объединенной системой жидкостного охлаждения и смазки, включающей масляный поддон, масляный насос, термостат, масляный радиатор, масляный фильтр, полости охлаждения вокруг цилиндра и крышек, масляные каналы, соединяющие между собой масляный поддон, масляный насос, термостат, масляный радиатор и масляный фильтр, масляную магистраль подвода масла к подшипникам, механизму преобразования движения и полостям охлаждения вокруг цилиндра и крышек, а также отводящие масляные каналы.

Днища поршней, камера сгорания и выпускной канал имеют керамическую футеровку для уменьшения тепловых потерь в двигателе.

На фиг.1 показана PV-диаграмма рабочего цикла двигателя.

На фиг.2 показана схема работы двигателя.

На фиг.3 показан вид двигателя сбоку.

На фиг.4 показан вид двигателя сзади.

На фиг.5 показан вид А-А фиг.4 (ломаный разрез сбоку, механизм регулирования давления впуска не показан).

На фиг. 6 показан вид Б-Б фиг.5 (разрез по топливным насосам и термостату).

На фиг.7 показан вид В-В фиг.5 (разрез по эллиптической передаче).

На фиг. 8 показан вид Г-Г фиг.5 (разрез по выпускному каналу, масляный насос показан нерассеченным).

На фиг.9 показан вид Д-Д фиг.5 (разрез по цилиндру).

На фиг. 10 показан вид Е-Е фиг.5 (разрез по впускному каналу, масляный насос показан нерассеченным).

На фиг. 11 показано торцевое уплотнение и механизм регулирования силы сжатия крышек.

На фиг.12 показано радиальное уплотнение.

В качестве примера конструкции для достижения описанного выше технического результата предлагается роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания для легкового автомобиля.

Сущность конструкции заключается в следующем. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит остов 1. В остове закреплен цилиндр 2 с четырьмя секторными поршнями 3 и 4, выполненными попарно заодно с передним 5 и задним 6 валами. Поршни 3 и 4 содержат керамическую футеровку днищ 7 и уравновешенные уплотняющие пластины 8, имеющие противовесы 9 и оси 10. Цилиндр 2 закрыт передней крышкой 11, имеющей окно впуска 12, окно приема 13 и мембрану 14 устройства регулировки давления впуска, и задней крышкой 15, имеющей окно выпуска 16, окно перепуска 17 и механизм регулировки силы сжатия крышек. Механизм регулировки силы сжатия крышек состоит из мембраны 18 и рычага 19, связанного одним концом с мембраной 18, другим концом - с задней крышкой 15 и средней частью - с цилиндром 2. Передняя крышка 11 жестко прикреплена к цилиндру 2 болтами 20, задняя крышка 15 прижимается к торцевой поверхности поршней 3 и 4 пружинами 21 с определенной силой. Уплотнение крышек 11 и 15 в сопряжениях по цилиндру 2 и остову 1 обеспечивается пружинными металлическими прокладками (на чертежах не показаны) и разрезными кольцами 22. Вокруг цилиндра 2 и крышек 11 и 15 выполнены каналы и полости рубашки системы охлаждения и смазки. Передний 5 и задний 6 валы устанавливают в подшипниках скольжения 23-26 и выполняют "плавающими" в осевом направлении для обеспечения самоустановки поршней 3 и 4 в цилиндре 2 между крышек 11 и 15.

На переднем 5 и заднем 6 валах жестко закреплены эллиптические шестерни 27 и 28, которые входят в зацепление с эллиптическими шестернями 29 и 30 соответственно, жестко закрепленными на валу отбора мощности 31. Шестерни 29 и 30 вала отбора мощности 31 повернуты относительно друг друга на угол 90^o.

На валу отбора мощности 31 также жестко закреплены ротор генератора 32 и маховик 33. Вал отбора мощности 31 установлен в подшипниках 34 и 35 и уплотняется сальником 36.

Камеру сгорания 37 жестко закрепляют в верхней части остова 1. Она представляет собой футерованную керамикой трубку, которая сообщается одним концом с окном перепуска 17, а другим концом - с окном приема 13. Средняя часть камеры сгорания 37 имеет цилиндрическую форму. Соосно с этой частью устанавливается форсунка подачи топлива 38, распылитель 39 которой входит в камеру сгорания 37 через отверстие, выполненное на ближнем к окну перепуска 17 ее перегибе.

Двигатель содержит генератор, включающий ротор 32, магнитопровод статора 40, рабочие обмотки, обмотки тахометра (все 41) и систему выпрямления тока (на чертежах не показана).

Двигатель содержит систему впуска, состоящую из воздушного фильтра (на чертежах не показан), впускного канала 42 и дроссельной заслонки механизма регулировки давления впуска 43 штангой 44, связанной с мембраной 14. Мембрана 14 сообщается по одну сторону с полостью цилиндра 2 в зоне минимального давления расширения, а по другую сторону с внутренней полостью остова 1 двигателя.

Двигатель содержит систему выпуска отработавших газов, состоящую из выпускного канала 45, футерованного керамикой, выпускных трубопроводов и глушителей (на чертежах не показаны).

Двигатель содержит систему питания, включающую топливный фильтр 46, топливоподкачивающий насос 47, топливный насос высокого давления 48 и форсунку подачи топлива 38 с распылителем 39. Оба топливных насоса приводятся кулачком 49 заднего вала 6.

Двигатель содержит объединенную систему жидкостного охлаждения и смазки, включающую масляный поддон 50, масляный насос 51 с электродвигателем 52, маслосливную пробку, объединенную с противодренажным клапаном (все 53), термостат 54, масляный радиатор, масляный фильтр 55, полости охлаждения вокруг цилиндра и крышек, масляные каналы 56, соединяющие между собой масляный поддон, масляный насос, термостат, масляный радиатор и масляный фильтр, масляную магистраль 57 и форсунки 58 подвода масла к подшипникам, эллиптическим шестерням 27-30 и полостям охлаждения вокруг цилиндра 2 и крышек 11 и 15, патрубки 59 и 60, а также отводящие масляные щели 61, выполненные в крышках 11 и 15.

Двигатель содержит электростартер системы пуска (на чертежах не показан), питаемый от бортовой сети автомобиля.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Показанное на фиг.2 движение поршней 3 и 4 обеспечивается синхронизацией переднего 5 и заднего 6 валов с помощью эллиптических зубчатых передач шестернями 27-30. При вращении вала 31 передаточное соотношение в каждой паре (27,29 и 28,30) меняется с минимума до максимума и наоборот через каждые 90^o поворота вала отбора мощности 31. Это означает, что при равномерном вращении вала 31 валы 5 и 6 вращаются неравномерно, причем со сдвигом фаз колебаний на 90^o относительно друг друга. Угол относительного поворота валов 5 и 6 изменяется от минимума до максимума или наоборот за каждые 90^o поворота вала 31. Когда любая из четырех камер цилиндра (далее контрольная) сообщается с окном впуска 12, объем ее увеличивается по мере поворота вала 31. Образующийся объем заполняется зарядом воздуха (далее контрольным) через воздушный фильтр и впускной канал 42.

По мере поворота вала 31 движущийся сзади поршень перекрывает окно впуска 12, и происходит сжатие заряда воздуха с типичной для двигателя с самовоспламенением от сжатия степенью сжатия 16-25. Затем движущийся впереди поршень открывает окно перепуска 17 и заряд воздуха из полости вытесняется в камеру сгорания 37. В камере сгорания 37 заряд воздуха движется к окну приема 13. Пока контрольный заряд движется по камере сгорания 37, контрольная камера заполняется одним из предыдущих зарядов, прошедших камеру сгорания 37. В камеру сгорания 37 происходит периодический впрыск топлива распылителем форсунки 39, топливо самовоспламеняется и сгорает, так что температура контрольного заряда возрастает. При постоянном давлении его объем увеличивается, поэтому объем, заполняющий контрольную камеру через окно приема 13 больше, чем объем, вытесняемый в камеру сгорания 37 через окно перепуска 17.

Один из предшествующих контрольному заряду заряд сгоревшей рабочей смеси, попав в контрольную камеру из камеры сгорания 37, далее расширяется, совершая механическую работу, после чего движущийся впереди поршень открывает окно выпуска 16, и отработавший газ вытесняется через выпускной канал 45 и остальные компоненты выпускной системы в атмосферу. Рабочее давление в камере сгорания 37 и размер окон перепуска 17 и приема 13 выбираются таким образом, чтобы давление заряда воздуха в конце сжатия было близко к рабочему давлению в камере сгорания 37, давление сгоревшей рабочей смеси в конце расширения было близко к атмосферному. Устройство регулирования давления впуска автоматически поддерживает давление сгоревшей рабочей смеси в конце расширения близким к атмосферному.

Во время работы двигателя часть времени мембрана 14 устройства регулирования давления впуска внутренней стороной сообщается с ближайшей камерой в момент окончания расширения, а в момент такта выпуска ближайшей камеры цилиндра 2 сообщается с атмосферой. Поэтому мембрана 14 находится в равновесии, когда давление в конце такта расширения близко к атмосферному. В противном случае она получает импульс со стороны цилиндра 2 при повышении давления или со стороны полости остова 1 при понижении давления конца расширения и через штангу 44 воздействует на дроссельную заслонку 43, уменьшая или увеличивая сечение впускного канала 42, то есть уменьшая или увеличивая давление воздуха на впуске. Изменение давления воздуха на впуске вызывает соответствующее изменение давления в камере сгорания, а значит, изменение давления на выпуске.

В процессе работы изменением циклической подачи топлива производят регулирование крутящего момента на валу отбора мощности 31. При увеличении подачи топлива повышаются температура и давление газов в камере сгорания 37. Устройство регулирования давления впуска уменьшает сечение впускного канала 42 дроссельной заслонкой 43. Давление впуска уменьшается, среднее давление сжатия также уменьшается. Среднее давление расширения остается неизменным, разность средних давлений возрастает, значит, величина крутящего момента соответственно возрастает. При уменьшении подачи топлива происходит обратный процесс, величина крутящего момента снижается.

Давление в соседних камерах цилиндра 2 различно, поэтому, чтобы исключить прорыв газов, применяют радиальные и торцевые уплотнения.

Радиальные уплотнения обеспечиваются уравновешенными уплотняющими пластинами 8. Пластина может поворачиваться вокруг оси 10, прижимаясь к поверхности цилиндра 2 под действием силы подпружиненного выступа пластины. Действующая на пластину центробежная сила уравновешивается противовесом 9 при любой частоте вращения вала отбора мощности 31. Таким образом уплотнение предохраняют от перегрева и чрезмерного износа. Аналогично работает радиальное уплотнение между поршнями 4 заднего вала и передним валом 5 и между поршнями 3 переднего вала и задним валом 6. Уравновешенные уплотняющие пластины 8 прижимаются в этом случае к поверхности валов.

Торцевые уплотнения обеспечиваются пружинным сжатием задней крышки 15 и цилиндра 2 пружинами 21. Крышки 11 и 15 при этом прилегают к торцевой поверхности поршней 3 и 4, компенсируя их тепловое расширение и износ, при этом передний 5 и задний 6 валы упираются друг в друга торцами. Уплотнение между крышками 11 и 15 и цилиндром 2 обеспечивается пружинными разрезными кольцами 22. Тщательной подгонкой цилиндрических поверхностей крышек 11 и 15, сопряженных с цилиндром 2, уменьшают прорыв газов из одной камеры в другую по кольцевому зазору между цилиндром 2 и крышками 11 и 15. Пружины 21 размещены так, что обеспечивают равномерное прижатие задней крышки 15 к торцам поршней 3 и 4 при максимальном, то есть атмосферном давлении на впуске. При уменьшении давления на впуске эта равномерность нарушается.

Восстанавливает ее механизм регулировки силы сжатия крышек. Мембрана 18 одной стороной сообщается с полостью цилиндра 2 на участке впуска, а другой стороной - с внутренней полостью остова 1 двигателя. При уменьшении давления в камерах полости цилиндра 2 на тактах впуска и сжатия сила, действующая на мембрану 18 и направленная на чертеже влево, через рычаг 19 оттягивает крышку 15 от цилиндра 2, компенсируя направленную на чертеже влево силу, действующую на крышку 15. Рычаг 19 механизма регулировки силы сжатия крышек воздействует на заднюю крышку в точке центра приложения сил давления впуска и сжатия. Передняя крышка 11 соединяется с цилиндром жестко болтами 20 и через поршни 3 и 4 взаимодействует с задней крышкой 15.

Для снижения тепловых потерь и упрощения системы охлаждения днища поршней 3 и 4, камера сгорания 37 и выпускной канал 45 содержат керамическую футеровку, так как коэффициент теплопроводности у керамических материалов значительно ниже, чем у металлов, а теплостойкость выше.

Генератор выполняют по асинхронной или синхронной с возбуждением от постоянных магнитов ротора схеме. Напряжение снимается с рабочих обмоток статора 41. В процессе вращения вала отбора мощности 31 ротор 32 создает в статоре вращающееся магнитное поле, а значит, ЭДС. В зазор между ротором 32 и магнитопроводом статора 40 подается масло для охлаждения последних. Генератор можно использовать также в качестве подшипника скольжения вала отбора мощности 31.

Запуск двигателя начинается с включения электродвигателя масляного насоса 52. Подача масла в период пуска позволит избежать режима граничного трения в подшипниках 23-26, 34 и 35. Также автономный привод масляного насоса 51 обеспечивает оптимальное давление в масляной системе при любых режимах работы двигателя. Давление в масляной магистрали регистрируется манометром (на чертежах не показан), данные поступают в блок управления двигателем. По достижении нормального давления масла блок управления запускает стартер (на чертежах не показан), который начинает вращать маховик 33 вала отбора мощности 31 за выполненный на нем зубчатый венец. Поршни 3 и 4 начинают двигаться так, как показано на фиг.2. Пока давление в камере сгорания 37 меньше рабочего, давление на выпуске меньше атмосферного, то есть выходящий на каждый оборот вала заряд меньше входящего, значит, происходит заполнение камеры сгорания 37 до рабочего давления без подачи топлива. По достижении рабочего давления в камере сгорания 37 давление на выпуске достигает атмосферного, и блок управления открывает подачу топлива топливным насосом высокого давления 48, приводимым кулачком 49 заднего вала 6, которое далее регулируется педалью подачи топлива (на автомобилях). Когда двигатель разгоняется выше оборотов пуска, обгонная муфта стартера выводит стартер из зацепления с маховиком 33 и блок управления отключает стартер. Блок управления контролирует частоту вращения вала отбора мощности 31 и при превышении максимальной частоты вращения или понижении ее ниже минимальной корректирует подачу топлива.

В процессе работы двигателя масляный насос 51 по каналу 56 подает масло к термостату 54, который разделяет поток масла на прямой к масляному фильтру 55 и обходной к радиатору (на чертежах не показан) через патрубок 59. Чем выше температура масла, тем большая его часть проходит через радиатор. Прошедший через радиатор поток подается через патрубок 60 к масляному фильтру 55. Пройдя через фильтр 55, масло поступает в магистраль 57. От магистрали 57 масло по форсункам 58 и масляным каналам (на чертежах не показаны) подается на ребра охлаждения цилиндра 2 и крышек 11 и 15, на участки зацепления эллиптических шестерен 27-30 и в подшипники 23-26, 34 и 35. Через кольцевой зазор между валами 5 и 6 и крышками 11 и 15 масло попадает в цилиндр 2 для смазки трущихся поверхностей. Излишек масла поршнями 3 и 4 отбрасывается на периферию цилиндра 2. В крышках на участках впуска и выпуска выполняют щели 61 стока масла.

После остановки двигателя противодренажный клапан 53 запирает масляный канал 56, сохраняя заполненными масляный насос 51, масляные каналы 56, радиатор и фильтр 55 для сокращения времени следующего запуска двигателя. При замене масла маслосливную пробку выворачивают вместе с противодренажным клапаном 53, и масло сливается из масляного поддона 50 и всех полостей системы смазки и охлаждения. Заливку свежего масла производят через горловину в верхней части остова 1 (на чертежах не показана).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить выбросы токсичных веществ роторно-поршневым двигателем внутреннего сгорания за счет увеличения длительности времени сгорания топлива, то есть уменьшить образование продуктов неполного окисления, снизить уровень шума и повысить КПД двигателя за счет полного расширения рабочего тела, и снизить потери смазочного масла за счет расположения окон газообмена на торцевой поверхности цилиндра.

Формула изобретения

1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, по меньшей мере, с четырьмя секторными поршнями, попарно жестко закрепленными на соосных валах и разделяющими полость цилиндра на камеры переменного объема, закрытый с торцов крышками, радиальные и торцевые уплотнения, механизм преобразования движения и камеру сгорания, вынесенную за пределы полости цилиндра, сообщающуюся на входе и на выходе с полостью цилиндра через окна перепуска и приема, причем в камере сгорания расположен распылитель форсунки подачи топлива, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена в форме трубки, а окна перепуска и приема выполнены в крышках.

2. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что крышки закреплены неподвижно относительно цилиндра.

3. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен механизмом регулирования давления впуска, включающим мембрану, дроссельную заслонку, систему штанг и рычагов, связывающих мембрану с дроссельной заслонкой.

4. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по пп.1 или 2, 3, отличающийся тем, что он снабжен механизмом регулирования силы сжатия крышек, включающим мембрану, установленную на одной из крышек, рычаг, связанный с мембраной, цилиндром и соответствующей крышкой.

5. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по пп.1 или 2-4, отличающийся тем, что радиальные уплотнения снабжены противовесами для уравновешивания центробежных сил.

6. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по пп.1 или 2-5, отличающийся тем, что крышки снабжены пружинами сжатия для обеспечения торцевого уплотнения.

7. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по пп.1 или 2-6, отличающийся тем, что он снабжен объединенной системой жидкостного охлаждения и смазки, включающей масляный поддон, масляный насос, термостат, масляный радиатор, масляный фильтр, полости охлаждения вокруг цилиндра и крышек, масляные каналы, соединяющие между собой масляный поддон, масляный насос, термостат, масляный радиатор и масляный фильтр, масляную магистраль подвода масла к подшипникам, механизму преобразования движения и полостям охлаждения вокруг цилиндра и крышек, а также отводящие масляные каналы.

8. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по пп.1 или 2-7, отличающийся тем, что днища поршней, камера сгорания и выпускной канал имеют керамическую футеровку для уменьшения тепловых потерь в двигателе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12