Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях-генераторах. Техническим результатом является упрощение конструкции двигателя и повышение его надежности. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндрический корпус, разделенный на рабочие полости радиальными выступами, ротор с качающимися рабочими органами в виде лопастных поршней, расположенных между радиальными выступами, и механизм преобразования движения ротора. Согласно изобретению корпус выполнен в виде цельного цилиндра, а радиальные выступы - съемными или заодно с ним. Угол поворота вала устанавливается механизмом изменения длины кривошипа. Патрубки впускного и выпускного коллекторов с запорными элементами установлены в теле радиальных выступов. При этом работа запорных элементов двух соседних камер сгорания регулируется единым газораспределительным механизмом. 3 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами.
Известна силовая установка (патент RU 2099557, F 02 В 53/14, F 01 С 13/14, 9/00, 20.12.97 г.), состоящая из двух роторных агрегатов: двигателя внутреннего сгорания и компрессора или гидронасоса. Каждый из агрегатов содержит цилиндрический корпус, по два соосно установленных ротора со ступицей и двумя лопастными поршнями на каждом из них. Ступицы роторов агрегатов соединены между собой внешним и внутренним валами. Внутренний вал через рычаг и шатун, размещенные с внешней стороны силовой установки, связан с коленчатым валом. Внешний вал через другой рычаг и другой шатун, размещенные между агрегатами установки, также связан с коленчатым валом.
Недостатком двигателя (и одновременно компрессора) известной установки является сложность конструкции, повышенное число движущихся частей и трущихся поверхностей, большое количество мест, требующих уплотнения. Кроме того, форма лопастных поршней и способ их установки, обусловленные конструктивным исполнением двигателя, во избежание их изгиба и скручивания требуют изготавливать их массивными, что увеличивает инерционные нагрузки на рабочие органы двигателя.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, принимаемым за прототип, является двигатель внутреннего сгорания с возвратно-качательным движением рабочих органов (патент RU 2006612, F 02 В 53/00, 30.01.94 г.), содержащий корпус, в котором расположены компрессорная и рабочая секции с цилиндрическими рабочими камерами, разделенными радиальными выступами корпуса на полости изменяемого объема, ротор с качающимся валом, расположенный на оси секций и снабженный рабочими органами в виде лопасти, механизм преобразования движения ротора, связанный с выходным валом, впускной коллектор компрессорной секции с автоматическими клапанами на входе, перепускной канал, связывающий компрессорную и рабочую секции, и коллектор выпуска отработавших газов из рабочей секции, причем перепускной канал и коллектор выпуска снабжены запорными элементами. Запорные элементы перепускного канала выполнены в виде последовательно расположенных качающихся цилиндрического золотника с диаметральным проходным отверстием, управляемого кулачком, установленным на оси ротора и подпружиненного отсечного клапана, а запорный элемент коллектора выпуска выполнен в виде двуплечей качающейся заслонки, общей для двух соседних полостей и подвижно установленной на оси в радиальном выступе корпуса, а на оси заслонки закреплен рычаг, охваченный качающейся вилкой, контактирующей с толкателем, установленным на оси ротора.
Недостатками данного двигателя являются пониженные прочностные характеристики, обусловленные конструкцией. А именно - выполнение боковых стенок корпуса двигателя состоящими из отдельных сегментов и ненадежное соединение радиальных выступов относительно тонкого сечения с корпусом, соединяющимися с корпусом основаниями малой площади. Кроме того, система впуска горючей смеси состоит из отдельных для каждой рабочей камеры устройств, а сами системы впуска и выпуска имеют раздельные приводы для каждой рабочей камеры, что в совокупности усложняет конструкцию и отрицательно влияет на весогабаритные характеристики двигателя. Выполнение запорного элемента коллектора выпуска в виде двуплечей заслонки общей для двух соседних полостей (рабочих камер) при ее несрабатывании или выходе из строя приведет к выключению из работы сразу двух рабочих камер. В совокупности все перечисленные особенности конструкции увеличивают количество мест, требующих надежного уплотнения и герметизации, а также снижают надежность двигателя.
Целью изобретения является упрощение конструкции двигателя и повышение его надежности.
Указанная цель достигается тем, что корпус предлагаемого двигателя выполнен в виде цельного цилиндра, внутренний объем которого делится на рабочие полости, выполненными заодно с корпусом или съемными радиальными выступами. Радиальные выступы расположены в корпусе симметрично друг против друга и в поперечном сечении имеют форму сектора круга. Между крышками, закрывающими корпус с торцов, и радиальными выступами вдоль оси корпуса установлен ротор. При этом радиальные выступы выполняют роль устройства, дополнительно центрирующего ротор двигателя, а с торцов, для повышения жесткости конструкции, соединены с крышками двигателя. Вершины радиальных выступов, контактирующие с ротором, выполнены усеченными по радиусу его наружной поверхности и снабжены пазами под компрессионно-маслосъемные уплотнения и каналами системы смазки двигателя. Ротор снабжен рабочими органами, лопастными поршнями, в поперечном сечении имеющими форму равнобедренной трапеции, установленной нижним основанием на валу ротора. Верхние основания трапециевидных лопастных поршней выполнены скругленными по радиусу внутренней поверхности корпуса двигателя и снабжены пазами под компрессионно-маслосъемные уплотнения и каналами системы смазки двигателя. Вал ротора установлен с возможностью поворота на угол, необходимый для выполнения работы качающимися лопастными поршнями. Угол поворота устанавливается в зависимости от вида используемого топлива и требуемой степени сжатия регулировочным механизмом, изменяющим длину кривошипа. Лопастные поршни расположены между радиальными выступами так, что совместно с ними и корпусом образуют в рабочих полостях отдельные камеры сгорания. Формы выполнения лопастных поршней и радиальных выступов и их взаимное расположение в двигателе в совокупности обеспечивают в камерах сгорания параллельность боковых поверхностей лопастных поршней (в верхней мертвой точке или в конце такта) и радиальных выступов, что в свою очередь обеспечивает равномерное распределение фронта пламени и давления по поверхности лопастного поршня в начале рабочего хода. Кроме того, форма радиальных выступов и их габаритный размер обеспечивают возможность крепления и установки в них под необходимым углом впускных и выпускных патрубков и запорных элементов газораспределительного механизма, состоящего из единого привода и распределительных валов, осуществляющих газораспределение в двух соседних рабочих камерах каждый. Перечисленные признаки существенно улучшают прочностные характеристики и надежность двигателя, а также уменьшают количество мест, требующих уплотнения и герметизации. Для улучшения теплового режима работы двигателя и уменьшения тепловых нагрузок в теле радиальных выступов, ротора и лопастных поршней выполнены полости для циркуляции охлаждающей жидкости, а корпус двигателя снабжен кожухом рубашки охлаждения. В совокупности с отказом от систем впуска-выпуска с отдельными приводами и устройствами это упрощает конструкцию, улучшает весогабаритные характеристики двигателя и повышает его надежность.
На фиг.1 изображен разрез А-А на фиг.3; на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.3 - продольный разрез двигателя.
Двигатель содержит цилиндрический корпус 1 с внутренними, в форме сектора в разрезе, радиальными выступами 2. Радиальные выступы 2 установлены на корпусе 1 симметрично друг против друга. Корпус 1 с торцов закрыт крышками 3. Между крышками 3 и радиальными выступами 2 установлен вдоль оси корпуса 1, с возможностью поворота вокруг нее, ротор 4 с лопастными поршнями 5, трапециевидными в разрезе. Лопастные поршни 5 расположены между радиальными выступами 2 так, что совместно с ними и корпусом 1 образуют камеры сгорания I, II, III, IV. Вал ротора 4 выведен через одну из крышек 3 и жестко соединен с качалкой 6, другой конец которой соединен, с возможностью поворота, с шатуном 7. Шатун 7 в свою очередь через кривошип 8 соединен с валом отбора мощности 9. Вал отбора мощности 9 ременной или цепной передачей соединен с нижним и верхним распределительными валами 10 механизма газораспределения, взаимодействующего с впускными и выпускными клапанами 11. Клапаны 11, а также впускные и выпускные патрубки 12 расположены в радиальных выступах 2. Свечи зажигания 13 расположены между основаниями радиальных выступов 2 и кожухом рубашки охлаждения 14 корпуса 1 двигателя. В теле радиальных выступов 2, ротора 4 и лопастных поршней 5 выполнены полости 15 для циркуляции охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя. В пазах вершин радиальных выступов 2 и верхних оснований трапециевидных лопастных поршней 5 расположены компрессионно-маслосъемные уплотнения 16, а между ними выполнены каналы 17 системы смазки двигателя.
Предложенный двигатель работает следующим образом. При повороте ротора 4 с лопастными поршнями 5 по часовой стрелке происходит увеличение объема камеры сгорания I, а распределительный механизм открывает впускной клапан 11 и сообщает камеру сгорания I с впускным коллектором через впускной патрубок 12. В результате камера сгорания I заполняется свежим зарядом - рабочей смесью. Достигнув крайнего положения, лопастной поршень 5 с ротором 4 начинают обратное движение - поворот против часовой стрелки. Впускной клапан 11 закрывается, выпускной был закрыт, замкнутый объем камеры сгорания I уменьшается, происходит сжатие поступившего заряда (рабочей смеси). В конце такта сжатия смесь воспламеняется электрической искрой, возникающей в свече 13. Образующиеся при сгорании газы, высокой температуры и давления, давят на лопастной поршень 5 и толкают его по часовой стрелке, совершая полезную работу - рабочий ход. При подходе лопастного поршня 5 к крайнему положению открывается выпускной клапан 11 и начинается такт выпуска. Поршень 5, достигнув крайнего положения, поворачивается вместе с ротором против часовой стрелки, вытесняя отработавшие газы и заканчивая полный цикл работы четырехтактного двигателя.
Двигатель имеет четыре камеры, работающие поочередно аналогично камере I.
Качательное движение лопастных поршней 5 через ротор 4, качалку 6, шатун 7 и кривошип 8 преобразуется во вращательное движение вала отбора мощности 9, имеющего маховик и зубчатую или ременную передачу для привода механизма газораспределения двигателя и насосов - топливного, масляного и водяного. Крутящий момент, снимаемый с него, может использоваться для привода различных механизмов транспортных средств.
К валу ротора можно подсоединить второй, такой же по конструкции, двигатель и использовать его в качестве компрессора для наддува первого двигателя или в качестве собственно компрессора. Возможно использование второго двигателя в качестве гидронасоса для прокачивания рабочей жидкости через турбину, с которой происходит отбор мощности, а для снижения пульсации жидкости в каналах установить гидроаккумуляторы.
Впускные и выпускные клапаны могут быть как тарельчатого типа, так и роторного. Последние, в данной конструкции, позволяют увеличить степень наполнения рабочих камер, при прочих равных условиях, и, следовательно, повысить коэффициент полезного действия.
В данной конструкции есть возможность использовать различные виды топлива (газ, бензин с различным октановым числом, дизельное топливо) без каких-либо переделок двигателя путем изменения степени сжатия с помощью механизма изменения длины качалки (не показан).
Формула изобретения
1. Двигатель внутреннего сгорания с качающимися рабочими органами, содержащий цилиндрический корпус, разделенный на рабочие полости радиальными выступами, ротор, расположенный вдоль оси двигателя и снабженный качающимися рабочими органами в виде лопастных поршней, расположенных между радиальными выступами, механизм преобразования движения ротора, связанный с его выходным валом, впускной коллектор и коллектор выпуска отработавших газов, снабженные запорными элементами, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цельного цилиндра, а радиальные выступы съемными или заодно с ним и представляют собой в поперечном сечении секторы круга, местом соединения которых с корпусом служит дуга сектора, вал ротора установлен с возможностью поворота на угол, необходимый для выполнения работы лопастными поршнями, причем их боковые поверхности параллельны боковым поверхностям радиальных выступов, расположенных симметрично друг против друга, а угол поворота вала устанавливается механизмом изменения длины кривошипа, патрубки впускного и выпускного коллекторов с запорными элементами установлены в теле радиальных выступов, причем работа запорных элементов двух соседних камер сгорания регулируется единым газораспределительным механизмом.
2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в теле радиальных выступов, роторе и лопастных поршнях выполнены полости для циркуляции охлаждающей жидкости, а корпус двигателя снабжен кожухом рубашки охлаждения.
3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что вершины радиальных выступов, контактирующие с ротором и выполненные усеченными по радиусу его наружной поверхности, а также верхние основания трапециевидных в сечении лопастных поршней, выполненные скругленными по радиусу внутренней поверхности корпуса двигателя, снабжены пазами для компрессионно-маслосъемных уплотнений и расположенными между ними каналами системы смазки двигателя.
РИСУНКИ
