Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет получить более высокое соотношение мощности и крутящего момента к общей массе агрегата, а также повысить КПД. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит статор и ротор с подвижными лопастями. Статор имеет точку фрикционного контакта с ротором и разделительный ролик, разделяющие пространство между ротором и статором на объемные части, с отверстиями для поступления рабочей смеси и удаления отработанных газов, в которых происходят термодинамические процессы расширения и сжатия рабочей смеси. Подвижные лопасти синхронизированы между собой посредством шестеренчатого зацепления непосредственно или через промежуточные шестерни. На внутренней поверхности торцевых крышек статора выполнены замкнутые желоба-канавки, обеспечивающие прилегание кромки лопасти к поверхности статора и положение лопастей в зависимости от положения ротора при вращении. Тело ротора располагается на оси вращения (на валу). Лопасти ротора при прохождении точки фрикционного контакта, вращаясь на оси ротора или передвигаясь по дуге из одного крайнего положения в другое, ограничивая двумя гранями сжатый объем газа между собой и телом статора, переносят его через точку фрикционного контакта из области сжатия в область сгорания и расширения. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силового агрегата в автотранспорте и других передвижных и стационарных силовых установках.
Известен классический поршневой двигатель внутреннего сгорания, состоящий из корпуса-картера с рабочими камерами (цилиндрами), поршней и кривошипно-шатунного механизма. В сравнении с предлагаемой конструкцией ДВС, основным недостатком поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом является наличие возвратно-поступательного движения поршня и шатуна при работе двигателя, что влечет за собой постоянное движение с ускорением данных деталей и, как следствие, значительные потери на трение и на саму динамику механизма в целом.
Известен также роторно-поршневой ДВС конструкции Ф.Ванкеля, состоящий из неподвижного статора-картера и трехгранного ротора-поршня, движущегося по эпитрохоиде и отсекающего при своем движении между статором и ротором полости переменного объема. Недостатком такой конструкции является неравномерность движения ротора, влекущая за собой быстрый износ деталей, в результате чего траектория ротора перестает соответствовать сложной кривой эпитрохоиде, нарушается герметичность отсекаемых объемов и пропадает компрессия.
Технической задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков, а именно недостатков кривошипно-шатунного механизма, в котором тепловая энергия сгорания топлива сначала преобразуется в прямолинейное движение поршня, а уже затем со значительными потерями во вращательное движение коленчатого вала. В предлагаемом устройстве энергия сгорания топлива сразу преобразуется во вращательную энергию вала ротора, благодаря чему достигается значительное снижение механических потерь, повышение надежности, устранение шума и вибрации. При работе двигателя в его рабочей полости происходят те же химические процессы, что и в рабочей полости цилиндра четырехтактного ДВС, так же присутствует процесс впуска, происходящий при разрежении относительно атмосферного давления, процесс сжатия рабочей смеси, вызывающий ее разогрев, процесс воспламенения от электрической искры и расширение с совершением работы и процесс выпуска отработанных газов путем их выталкивания из рабочей полости в выхлопную систему. Изобретение позволяет с помощью применения новой кинематической схемы и конструкции получить более высокое соотношение мощности и крутящего момента к общей массе агрегата, а также получить более высокий КПД.
Техническая задача достигается тем, что в роторно-лопастном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор и ротор с подвижными лопастями, согласно изобретению, статор имеет точку фрикционного контакта с ротором и разделительный ролик, разделяющие пространство между ротором и статором на объемные части, с отверстиями для поступления рабочей смеси и удаления отработанных газов, в которых происходят термодинамические процессы расширения и сжатия рабочей смеси. Подвижные лопасти синхронизированы между собой посредством шестеренчатого зацепления непосредственно или через промежуточные шестерни. На внутренней поверхности торцевых крышек статора выполнены замкнутые желоба-канавки, обеспечивающие прилегание кромки лопасти к поверхности статора и положение лопастей в зависимости от положения ротора при вращении. Тело ротора располагается на оси вращения (на валу), а лопасти ротора при прохождении точки фрикционного контакта, вращаясь на оси ротора или передвигаясь по дуге из одного крайнего положения в другое, ограничивая двумя гранями сжатый объем газа между собой и телом статора, переносят его через точку фрикционного контакта из области сжатия в область сгорания и расширения.
Чертежи, поясняющие изобретение:
фиг.1 - роторно-лопастной двигатель - поперечный разрез;
фиг.2, 3, 4, 5 - поперечные разрезы различных вариантов ротора двигателя;
фиг.6 - схема, поясняющая принцип работы двигателя;
фиг.7, 8, 9, 10 - роторно-лопастной двигатель при различных положениях ротора - поперечный разрез;
фиг.11 - второй вариант роторно-лопастного двигателя - поперечный и продольный осевой разрезы.
На фиг.1 изображена общая схема двигателя. Двигатель содержит корпус-картер (статор) 1, в цилиндрической усеченной полости которого располагается ротор 2 с осью вращения. В свою очередь ротор 2 содержит две серповидные плавающие в теле ротора лопасти 3, соединенные между собой посредством зубчатого зацепления, для синхронизации выполненного во внутренней части ротора. Двигатель имеет разделительный ролик 4, вал которого соединен с валом ротора внешними синхронизирующими шестернями с передаточным отношением 2/1. По обеим сторонам от разделительного ролика в статоре 1 выполнены отверстия 5, которые служат для подачи горючей смеси и выпуска отработанных газов соответственно. Двигатель центрально-симметричен, в верхней части имеется точка фрикционного контакта 6 между статором 1 и ротором 2, разделяющая пространство между ротором и статором на камеры 7 и 8 сверху, и разделительным роликом 4 снизу. При вращении ротора 2 по часовой стрелке камера 7 будет камерой сжатия, а камера 8 камерой сгорания. Цилиндрический ролик 4 без проскальзывания катится по телу ротора 2 и имеет два продольных паза 9, которые служат для пропуска лопастей ротора 3. На фиг.2 представлено осевое сечение внутренней части ротора 2. Серповидные лопасти 3, внутри ротора 2, катаются в симметричных дугообразных пазах 10 и в нижней своей части имеют между собой жесткое зубчатое зацепление 11, которое служит для синхронизации положения лопастей друг относительно друга. Таким образом, ротор представляет собой полый цилиндр, внутри которого находится механизм качения и шестеренчатого сопряжения лопастей ротора.
На фиг.3, 4 и 5 представлены другие варианты конструктивного выполнения ротора, или точнее роторно-лопастного механизма. На фиг.3 показан вариант ротора, у которого лопасти представляют собой два усеченных цилиндра, имеющих между собой зубчатое синхронизирующее зацепление 11 и проворачивающихся на осях 13 тела ротора 2. Лопасти-цилиндры ротора 2 с наружной стороны имеют продольные выточки в виде полумесяца в поперечном сечении, образуя в объеме выточки, камеру сгорания, а краем выточки образуя вершину лопасти. На фиг.4 показан вариант ротора 2 с вращающимися на осях тела ротора 2 цилиндрическими лопастями такой же формы, как и на фиг.3, зубчатое зацепление 11 которых выполнено через две промежуточные шестерни 12, благодаря чему удалось увеличить соотношение диаметра ротора 2 и диаметра цилиндрической лопасти 3. На фиг.5 представлено осевое сечение ротора 2, лопастями 3 которого служат прямоугольные пластины, которые при работе двигателя совершают возвратно-поступательные передвижения по желобам ротора 2. Для их синхронного перемещения служат цилиндрические шестерни 12. На оси ротора 2, в месте взаимного пересечения, прямоугольные лопасти 3 имеют центральные выточки, которая входит одна в другую.
На фиг.6 схематично показаны различные положения ротора во время работы. Особенностью и явным преимуществом данной конструкции по сравнению с другими ДВС является отсутствие какого бы то ни было газораспределительного механизма. Вся система газораспределения состоит из впускного отверстия и отверстия для выпуска отработанных газов в теле статора 1. Автор исходит из того, что для работы двигателя необходима такая же горючая смесь, как и для поршневых ДВС, поэтому система подготовки горючей смеси в данном описании не рассматривается. Внутренняя поверхность статора 1 по форме представляет собой усеченный сверху цилиндр. Внутренняя стенка статора выполнена из высоколегированной жаропрочной стали, обработана и отполирована с высокой точностью, чтобы при скольжении по ней кромки лопасти ротора обеспечить максимальное ее прилегание для получения наибольшей компрессии. На внутренней поверхности торцевых крышек статора 1 выполнены замкнутые желоба-канавки такой формы, при скольжении по которым направляющих штифтов 20 лопастей ротора обеспечивается прилегание кромки лопасти к поверхности статора и нужное положение лопастей в зависимости от положения ротора при вращении.
Двигатель работает следующим образом: на фиг.7 изображен момент, при котором рабочий объем двигателя разделен на четыре части. При движении ротора по часовой стрелке объемное пространство 14 между ротором и статором является расширяющимся и в него через отверстие 5 в статоре 1 поступает рабочая смесь. Объемное пространство 15, ограниченное ротором, статором, лопастью и точкой фрикционного контакта 6, уменьшается и в нем происходит сжатие рабочей смеси, которая поступила в рабочее пространство двигателя через впускное отверстие 5 при предварительном полуобороте ротора. Объем 16 расширяется и в нем при данном положении ротора происходит сгорание рабочей смеси или рабочий ход. Объем 17 является уменьшающимся и в нем происходит выброс отработанных газов через выпускное отверстие статора. Таким образом, двигатель является четырехтактным ДВС и работает за счет тех же химических процессов окисления топлива, что и классический поршневой ДВС.
На фиг.8 изображен момент, при котором ротор провернулся до положения, когда левая лопасть своей верхней контактной кромкой, которая при предварительном положении ротора находилась с ним на одном уровне, достигла точки фрикционного контакта 6, а нижней контактной кромкой достигла места, в котором внутренняя поверхность статора цилиндрической формы изменяется в месте усечения. При этом правая лопасть ротора выступающей контактной кромкой вошла в выточку ролика 4. Таким образом, горючая смесь объема 15 оказалась полностью сжатой и подготовленной для воспламенения и при данном положении ротора она вся сосредоточена в объеме камеры сгорания, образованной серповидной выемкой лопасти 3. Также при данном положении ротора, фиг.8, в объеме 16 закончилась фаза рабочего хода, и сгоревшая смесь при своем дальнейшем расширении устремилась в выхлопную систему двигателя через выхлопное отверстие 5 статора. В сравнении с фиг.7, на фиг.8 объем 17 перестал существовать, а в объеме 14 завершилась фаза наполнения свежей горючей смесью. Также важно отметить, что до момента, изображенного на фиг.8, серповидные лопасти 3 относительно ротора 2 были неподвижны и в момент времени, следующий за моментом, изображенным на фиг.8, они обе синхронно приходят в движение благодаря скольжению направляющих штифтов лопастей по замкнутым желобам-канавкам в торцевых крышках статора. Этот момент изображен на фиг.9. При этом рабочая смесь, подготовленная к воспламенению, продолжает находиться в объеме 15, а точка фрикционного контакта 6, на время прохождения через нее лопасти, перестает существовать. На фиг.10 изображен момент, при котором лопасти 3 прекратили свое движение относительно друг друга и ротора и оказались во втором своем крайнем положении, при этом контактная кромка верхней лопасти, которая при предварительном полуобороте ротора скользила по левой поверхности статора 1, достигла точки фрикционного контакта 6, и в следующий момент времени происходит ее отрыв от поверхности статора. При этом вторая кромка данной лопасти продолжает скользить и быть прижатой к правой части внутренней поверхности статора, а в точке фрикционного контакта 6 опять происходит скольжение тела ротора по телу статора. В момент времени, изображенный на фиг.10, в объеме 15 происходит воспламенение горючей смеси с помощью искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания, смесь воспламеняется, давление резко возрастает, газы давят на лопасть 3 ротора, заставляя его вращаться и совершать положительную работу. При этом объем 16 уменьшается и из двигателя происходит выброс отработанных газов в выхлопную систему. В объеме 14 начинает происходить сжатие предварительно наполненной рабочей смеси и подготовка ее к следующему такту. При дальнейшем повороте ротора он оказывается в положении, изображенном на фиг.7, и рабочий цикл роторно-лопастного двигателя оказывается завершенным. Таким образом, полный рабочий цикл двигателя совершается при повороте ротора на 180 градусов, и цикличность двигателя составляет пол-оборота.
На фиг.11 изображен вариант двигателя без разделительного ролика 4. Преимуществом данной схемы по сравнению с вариантами, изображенными на фиг.1-10, является еще большая компактность, меньшее количество движущихся деталей. В данной компоновке ротор и статор имеют две точки фрикционного контакта 6. Лопасти 3 ротора 2 в осевом сечении имеют форму центрально-симметричного четырехугольника, серповидные стороны которого представлены равными дугами. При работе двигателя лопасти 3 проворачиваются на валах 13 тела ротора 2. Отличие данной конструкции от описанных выше заключается в том, что по кинематической схеме двигатель симметричен и лопасти 2 проходят точки фрикционного контакта 6 симметрично, проворачиваясь при этом синхронно в разные стороны на 90 градусов. Для их синхронизации на роторе выполнен механизм с цилиндрическими шестернями 18 и 19. Шестерни 19 валов лопастей 13 соединены между собой через промежуточную шестерню 18, осью которой служит непосредственно вал ротора 2. На вершинах лопастей, на боковой поверхности, имеются выступы 20, которые при вращении скользят в направляющих желобах крышек статора 1, обеспечивая нужное положение лопасти в зависимости от положения ротора 2. Внутренняя поверхность статора 1, между боковой цилиндрической поверхностью и точками фрикционного контакта 6, имеет форму закругления такого вида, чтобы обеспечивалось контактное скольжение двух кромок лопастей одновременно при проходе лопасти через точку 6 и повороте ее в роторе. В конструкции, изображенной на фиг.11, целесообразно, для увеличения срока службы конструкции в местах фрикционного контакта 6 установить цилиндрические ролики, которые бы без проскальзывания катились по поверхности ротора 2. Также двигатель может иметь различные варианты механизма обеспечения положения и проворота лопастей, отличные от предложенной здесь конструкции с направляющими штифтами 20, скользящими в желобах торцевых крышек статора 1, что не отражается на общем принципе его работы.
Таким образом, в предложенном двигателе работа воспламененной, сгорающей горючей смеси направлена непосредственно на совершение простого вращательного движения, что позволяет уйти от таких негативных процессов, присутствующих в традиционных двигателях, как вибрация или ударные воздействия, что в конечном итоге значительно увеличивает срок их службы. Соотношение литровой мощности к массе и габаритам двигателя значительно более выгодное, чем у поршневых двигателей и роторных конструкций Ф.Ванкеля. Двигатель, по сравнению с традиционными поршневыми, имеет малое количество деталей, что снижает себестоимость его производства, упрощает эксплуатацию и ремонт.
1. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор и ротор с подвижными лопастями, отличающийся тем, что статор имеет точку фрикционного контакта с ротором и разделительный ролик, разделяющие пространство между ротором и статором на объемные части, с отверстиями для поступления рабочей смеси и удаления отработанных газов, в которых происходят термодинамические процессы расширения и сжатия рабочей смеси, подвижные лопасти синхронизированы между собой посредством шестеренчатого зацепления непосредственно или через промежуточные шестерни, на внутренней поверхности торцевых крышек статора выполнены замкнутые желоба-канавки, обеспечивающие прилегание кромки лопасти к поверхности статора и положение лопастей в зависимости от положения ротора при вращении.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что тело ротора располагается на оси вращения (на валу), а лопасти ротора при прохождении точки фрикционного контакта, вращаясь на оси ротора или передвигаясь по дуге из одного крайнего положения в другое, ограничивая двумя гранями сжатый объем газа между собой и телом статора, переносят его через точку фрикционного контакта из области сжатия в область сгорания и расширения.
