Роторный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит статор, ротор с уплотнительными пластинами, взаимодействующими с выступами и впадинами внутренней профилированной поверхности статора и образующие вместе с торцевыми крышками статора, поверхностью ротора и профилированной поверхностью статора рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, рабочие камеры впуска-воспламенения горючей смеси с зоной дополнительного сжатия, камеры расширения и выпуска отработавших газов. Согласно изобретению между выступами профилированной поверхности статора и ротором выполнен зазор для перепуска через него сжатого воздуха из зоны дополнительного сжатия, в котором создается разрежение для подачи топлива. Уплотнительные пластины на концах, примыкающих к внутренней профилированной поверхности статора, снабжены шарнирно-подвижными уплотнениями. При этом уплотнительные пластины выполнены со сквозным поперечным разрезом, обеспечивающим подвижность пластин по их длине. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к силовым установкам, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано на автотранспортных средствах, тракторах, на переносных малогабаритных электроагрегатах, насосах и т.п., а также в авиации, в том числе и для сверхлегкой авиации и др.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент WO 99/60257, МПК F 02 В 53/00, 55/14), содержащий ротор с пластинами, вращающийся в статоре с циклоидной поверхностью, обращенной к ротору. При этом пластины выполнены с возможностью их радиального перемещения в роторе и снабжены устройствами их уплотнения с ротором и циклоидной поверхностью статора, а сами пластины имеют решетчатое строение с выполненными в них каналами для подачи масла на внутреннюю поверхность статора. Статор выполнен с водяным охлаждением.

Однако в указанном двигателе при данной форме камеры сгорания не достигается равномерное сгорание топливной смеси. Конструкция, в которой организована цикличная работа двигателя, сказывается как на снижении КПД двигателя, так и на его ресурсе и мощности. Двигатель работает с подводом тепла при постоянном объеме, что обусловливает высокую температуру и высокое давление, поэтому необходимо водяное охлаждение двигателя. Хотя наличие шестнадцати камер сгорания, предусмотренных в двигателе, и сглаживает до некоторой степени неравномерность вращательного момента, однако полностью не устраняет ее. Кроме того, двигатель, в котором предусмотрено водяное охлаждение, а пластины имеют сложную решетчатую структуру со смазочными каналами и подъемными приспособлениями, конструктивно сложен в изготовлении и требует больших затрат при его эксплуатации.

Учитывая наличие указанных дополнительных устройств (водяного охлаждения, подъемных приспособлений и др.), двигатель имеет значительную массу, что не позволяет достигнуть максимальной удельной мощности.

Наиболее близкая к заявляемому решению силовая установка роторного двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ 2126898, МПК F 02 В 53/02, F 01 С 1/344), содержащая статор с профилированной направляющей в виде замкнутой кривой переменного радиуса, ротор, уплотнительные пластины, установленные в роторе с возможностью радиального перемещения, взаимодействующие с выступами и впадинами профилированной направляющей и образующие вместе с неподвижными дисками рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, рабочие камеры впуска-воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов, всасывания-сжатия и перепуска топливной смеси, свечи зажигания, размещенные в статоре в начальных зонах камер впуска-воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов, перепускные каналы, при этом установка снабжена уплотнителями, размещенными на выступах профилированной направляющей, рабочие камеры впуска-воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов, всасывания-сжатия и перепуска топливной смеси образованы уплотнителями, неподвижными дисками и уплотнительными пластинами, которые размещены в роторе по меньшей мере парно и параллельны между собой, а перепускные каналы выполнены в профилированной направляющей, на выходах которых размещены обратные клапаны.

В указанной силовой установке применяемые формы рабочих камер, система перепускных каналов и пружинные перемещения уплотнительных пластин не позволяют создать непрерывный режим работы установки, что отрицательно сказывается на работе силовой установки и ее ресурсе, а также обусловливает ее низкий механический КПД.

Поскольку в камере сгорания подвод тепла смешанный, в ней создаются высокое давление (до 60 кг/см²) и высокая температура (до 1800^oС). Установка снабжена системой для подготовки топливной смеси, специальными клапанами с системой их синхронизации и системой водяного охлаждения, что усложняет конструкцию, увеличивает массу и снижает надежность работы установки при ее эксплуатации. Кроме того, высокая температура в камерах сгорания требует применения высокопрочных жаростойких материалов, что значительно удорожает конструкцию.

В основу настоящего изобретения положена задача создания роторного двигателя внутреннего сгорания в таком конструктивном выполнении рабочих камер и уплотнительных пластин, чтобы обеспечить непрерывную работу двигателя, снизить температуру горения рабочей смеси и давление в рабочих камерах, повысить КПД и упростить конструкцию.

Указанная задача решается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор с внутренней профилированной поверхностью переменного радиуса, ротор, уплотнительные пластины, установленные в роторе с возможностью радиального перемещения, взаимодействующие с выступами и впадинами внутренней профилированной поверхности статора и образующие вместе с торцевыми крышками статора, поверхностью ротора, профилированной поверхностью статора рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, рабочие камеры впуска-воспламенения горючей смеси с зоной дополнительного сжатия, камеры расширения и выпуска отработавших газов и свечи зажигания, размещенные в статоре, согласно изобретению между выступами профилированной поверхности статора и ротором выполнен зазор для перепуска через него сжатого воздуха, в котором создается разрежение для подачи топлива, а уплотнительные пластины, свободно перемещающиеся в радиальном направлении, на концах, примыкающих к внутренней профилированной поверхности статора, снабжены шарнирно-подвижными уплотнениями, при этом уплотнительные пластины выполнены со сквозным поперечным разрезом, обеспечивающим подвижность указанных пластин по их длине.

Выполнение зазора между выступами профилированной поверхности статора и ротором позволяет создать разрежение в зазоре и вблизи него, что обеспечивает впуск топлива без каких-либо дополнительных устройств.

Выполнение уплотнительных пластин, свободно перемещающихся в радиальном направлении под действием центробежных сил, обеспечивает плотное прижатие уплотнительных пластин к внутренней профилированной поверхности статора. Размещение шарнирно-подвижного уплотнения на каждой уплотнительной пластине, а также сквозной поперечный разрез указанных пластин обеспечивают герметичность рабочих камер.

Такое конструктивное выполнение двигателя позволяет обеспечить непрерывное горение горючей смеси, что обусловливает заданный равномерный вращающийся момент.

По одному из вариантов выполнения роторного двигателя внутреннего сгорания шарнирно-подвижное уплотнение имеет выемку, открытой стороной обращенную к внутренней профилированной поверхности статора.

Такое конструктивное выполнение шарнирно-подвижного уплотнения позволяет уменьшить площадь касания уплотнительной пластины и профилированной поверхности статора и, следовательно, уменьшить силу трения и обеспечить сбор смазочного материала.

Указанные выше и другие преимущества, а также особенности настоящего изобретения будут более понятными после рассмотрения приведенного ниже подробного описания, сопровождаемого чертежами, на которых: фиг. 1 изображает роторный двигатель внутреннего сгорания (поперечный разрез), выполненный согласно настоящему изобретению; фиг. 2 - то же, что на фиг.1, уплотнительная пластина с вырезом по поперечному сквозному разрезу; фиг.3 - то же, что на фиг.2 (поперечный разрез); фиг.4 - то же, что на фиг.2 (продольный разрез).

Роторный двигатель внутреннего сгорания включает статор 1 (фиг.1) с внутренней профилированной поверхностью 2 переменного радиуса, ротор 3, уплотнительные пластины 4, установленные в роторе 3 с возможностью их свободного радиального перемещения, взаимодействующие с выступами 5 и впадинами 6 внутренней профилированной поверхности 2 статора 1 и образующие вместе с торцевыми крышками (не показано) статора 1, поверхностью ротора 3, профилированной поверхностью 2 статора 1 и уплотнительными пластинами 4 рабочие камеры с зонами впуска А и нагнетания В, в которых происходит всасывание-сжатие воздуха, рабочие камеры впуска-воспламенения С и D, в которых происходит дополнительное сжатие воздуха и воспламенение горючей смеси, и расширения и выпуска Е и F отработавших газов, свечи 7 зажигания (запальные свечи), размещенные в статоре 1. Между выступами 5 профилированной поверхности 2 статора 1 и ротором 3 выполнен зазор 8 для перепуска через него сжатого воздуха из зоны дополнительного сжатия и создания разрежения для подачи топлива. Подвод топлива осуществляется через патрубки 9 за счет разрежения в зазоре 8. Для более оптимального смешивания топлива и воздуха патрубки 9 расположены равномерно по длине статора 1. Ротор 3 установлен на вал 10. На уплотнительных пластинах 4 установлены шарнирно-подвижные уплотнения 11 (фиг. 1, 2, 3), имеющие выемку 12 (фиг.3), обращенную открытой стороной к внутренней профилированной поверхности 2 (фиг.1) статора 1. Уплотнительные пластины 4 (фиг.2 и 4) выполнены с разрезом 13, обеспечивающим подвижность каждой пластины 4 по ее длине, что исключает затирание пластин 4 между торцевыми крышками (не показано) статора 1 (фиг.1) и герметичность рабочих камер. Пружины 14 (фиг.2 и 4), установленные в уплотнительной пластине 4, позволяют обеспечить плотное прижатие указанных пластин 4 к торцевым крышкам (не показано) статора 1 (фиг.1). В выемке 12 (фиг.3) шарнирно-подвижного уплотнения 11 собирается смазочный материал, который по каналам (не показано), расположенным в уплотнительных пластинах 4, за счет их возвратно-поступательного движения поступает во внутреннюю полость 15 (фиг.1) ротора 3, и за счет центробежной силы смазочный материал движется к профилированной поверхности 2 статора 1, тем самым обеспечивая циркуляцию смазочного материала вокруг уплотнительных пластин 4. В торцевых крышках (не показано) статора 1 с одной стороны выполнены впускные окна 16 (для воздуха), а с другой - выпускные окна 17 (для отработавших газов). Двигатель снабжен ребрами 18 воздушного охлаждения, радиально расположенными по длине статора 1. В патрубках 9 установлены клапаны 19.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

При движении ротора 3 (фиг.1) по стрелке в зоне А происходит впуск свежего воздуха через окна 16, в зоне В происходит его сжатие, в зоне С - дополнительное сжатие и перепуск в зону D через зазор 8; при протекании воздуха через зазор 8 в нем происходит разрежение, и топливо, поступающее через патрубки 9, за счет указанного разрежения смешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Горючая смесь воспламеняется свечей 7 зажигания (запальной свечей) однократно. Дальнейшее зажигание горючей смеси происходит за счет раскаленных частиц в зоне D. При сгорании топлива в зоне D создается давление, которое приводит в движение ротор 3. В зоне Е происходит дальнейшее расширение газа, которое совершает дополнительную работу, приводя во вращение ротор 3. В зоне F происходит полное удаление остаточных газов. Далее процесс повторяется.

Как это видно из представленных чертежей и описания работы двигателя, процесс его работы организован непрерывно. Несмотря на то что термический КПД при подводе тепла при постоянном давлении ниже чем при смешанном подводе тепла или при постоянном объеме, общий КПД выше за счет снижения сил трения (рабочее давление ниже), а также ниже рабочая температура в камере сгорания, что позволяет использовать воздушное охлаждение, а также использовать более дешевые материалы, например пластмассы, покрытые износоустойчивым металлом, что в совокупности повышает удельную мощность двигателя, упрощает его конструкцию и повышает технологичность в изготовлении и эксплуатации. Все вышеперечисленное приводит к экологически чистому выхлопу (водяные пары и углекислый газ), отсутствию в выхлопе окиси углерода и низкому содержанию в нем окислов азота.

Кроме того, конструкция двигателя не требует вспомогательных устройств (топливного насоса высокого давления, форсунок, карбюраторов, клапанных устройств и их приводов и т.п.), что приводит к упрощению конструкции и повышению удельной мощности двигателя.

Данный двигатель может работать при низких оборотах (десятки оборотов в минуту), что обеспечивает низкий расход топлива при холостых оборотах. Кроме того, двигатель имеет высокий крутящий момент при невысоких максимальных оборотах (2500 об/мин), что дает возможность использовать его в сверхлегкой авиации без редукторов. Расчеты показали, что при диаметре ротора 200 мм, длине пластин 100 мм и массе 5 кг максимальная мощность достигается, ориентировочно, в 100 л.с. при максимальных оборотах 2500 об/мин, что делает его незаменимым для использования в сверхлегких летательных аппаратах. При этом, как это очевидно, при увеличении диаметра двигателя количество рабочих зон может быть не только двукратным, но и трехкратным и т.д., что повышает удельную и общую мощность и крутящий момент.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с внутренней профилированной поверхностью переменного радиуса, ротор, уплотнительные пластины, установленные в роторе с возможностью радиального перемещения, взаимодействующие с выступами и впадинами внутренней профилированной поверхности статора и образующие вместе с торцевыми крышками статора, поверхностью ротора и профилированной поверхностью статора рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, рабочие камеры впуска-воспламенения горючей смеси с зоной дополнительного сжатия, камеры расширения и выпуска отработавших газов, и свечи зажигания, размещенные в статоре, отличающийся тем, что между выступами профилированной поверхности статора и ротором выполнен зазор для перепуска через него сжатого воздуха из зоны дополнительного сжатия, в котором создается разрежение для подачи топлива, уплотнительные пластины, свободно перемещающиеся в радиальном направлении, на концах, примыкающих к внутренней профилированной поверхности статора, снабжены шарнирно-подвижными уплотнениями, при этом уплотнительные пластины выполнены со сквозным поперечным разрезом, обеспечивающим подвижность пластин по их длине.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что шарнирно-подвижные уплотнения имеют выемку, открытой стороной обращенную к внутренней профилированной поверхности статора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4