Роторный двигатель
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям. Изобретение позволяет снизить вибрации ротора, повысить КПД и надежность работы двигателя. Роторный двигатель содержит статор с размещенными в нем камерами сгорания, свечами, впускными и выпускными клапанами, ротор с выполненными в нем на наружной поверхности полостями с боковыми стенками для приема продуктов сгорания рабочей смеси, направляемых из камер сгорания. Ротор снабжен уплотнителями по наружному диаметру краев ротора. Камеры сгорания размещены в статоре попарно радиально-противоположно оси ротора с возможностью подачи импульса высокого напряжения на свечи для одновременного воспламенения рабочей смеси в двух камерах, каждая из которых содержит кинематически связанные с осью ротора распределительный вал и насос-форсунку. Камера сгорания снабжена соплом, длина которого меньше ширины полости ротора. Уплотнители выполнены секционными. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области промышленного машиностроения и может быть использовано для изготовления двигателей внутреннего сгорания роторного типа.
Известен 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания (2), содержащий цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, распределительный вал, впускной и выпускной клапаны, свечу зажигания, распределитель и маховик. Вращение маховика в нем происходит за счет энергии сгорания рабочей смеси в цилиндре между дном его и поршня. Поршень, двигаясь вниз, через шатун и коленчатый вал вращает маховик. Полный цикл совершается за два оборота маховика, за первый оборот - два такта (всасывание и сжатие рабочей смеси) и за второй - два следующих (рабочий ход и выхлоп).
Недостатком поршневых двигателей является возвратно-поступательное движение поршней во время его работы, что ограничивает частоту вращения маховика.
Известен роторный двигатель Ф.Ванкеля (2), содержащий корпус, эксцентриковый вал, ротор-поршень с тремя выступами, торцевые крышки, впускной и выпускной трубопроводы, свечу зажигания уплотнения ротора. Работа двигателя происходит за счет сгорания рабочей смеси в объеме, ограниченном корпусом двигателя и корпусом ротора, передавая энергию газов непосредственно на ротор-поршень.
Недостатком его является то, что во время работы ротор-поршень совершает сложное планетарное движение, а выступы ротора совершают движение по эпитрохоиде с различным ускорением, что приводит к износу уплотнения и вызывает прорыв горящих газов в соседнюю камеру и воспламенению в ней свежего заряда.
Известен роторный двигатель Кузнецова, патент РФ №2074967, кл. F02В 53/00, опубликованный 10.03.97 г., который содержит цилиндр с выпускным и перепускным клапанами, поршень с шатунно-кривошипным механизмом, статор с камерами сгорания, свечами и соплом выпуска сгоревших газов, ротор с размещенными в нем полостями, торцевые крышки. Вращение ротора обеспечивается за счет энергии потока газов сгоревшей топливно-воздушной смеси из камеры сгорания в полость ротора. Поршни двигателя, подающие смесь, жестко соединены между собой и ротором так, что сгорание топливно-воздушной смеси в камерах сгорания происходит попеременно в одной из них. Наиболее близким по техническому решению и принципу действия к предлагаемому изобретению (прототипом) является роторный двигатель Кузнецова, патент РФ №2074967.
Недостатки прототипа
1. Сжатые газы после сгорания топливно-воздушной смеси под большим давлением попадают в пространство, ограниченное корпусом статора и полостью ротора, создавая давление внутри объема во все стороны пропорционально площади давления, в том числе и перпендикулярно оси ротора, а попеременность работы камер создает и попеременность нагрузок и, как следствие, вибрацию, которую необходимо учитывать при установке зазора между ротором и статором для предотвращения заклинивания ротора, что снижает надежность его, а увеличение зазора снижает КПД двигателя.
2. Отсутствует принудительная очистка камеры сгорания от сгоревших газов, что снижает количество поступающего свежего заряда воздушно-топливной смеси, а следовательно, и меньше будет получено полезной работы за цикл.
3. Наличие в двигателе цилиндров с возвратно-поступательным движением и сопротивления впускной системы заполнению свежим зарядом цилиндра ограничивает частоту вращения ротора двигателя и, следовательно, снижает КПД.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, снижение вибрации ротора, повышение надежности работы двигателя и КПД.
Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении, содержащем статор с размещенными в нем камерами сгорания, свечами, впускными и выпускными клапанами, ротор с выполненными в нем на наружной поверхности полостями с боковыми стенками для приема продуктов сгорания рабочей смеси, направляемых из камер сгорания, при этом ротор снабжен уплотнителями по наружному диаметру краев ротора, согласно изобретению, камеры сгорания размещены в статоре попарно радиально-противоположно оси ротора с возможностью подачи импульса высокого напряжения на свечи для одновременного воспламенения рабочий смеси в двух камерах, каждая из которых содержит кинематически связанные с осью ротора распределительный вал и насос-форсунку, при этом камера сгорания снабжена соплом, длина которого меньше ширины полости ротора. Уплотнители могут быть выполнены секционными.
Предлагаемое изобретение изображено на фиг.1 и фиг.2.
Здесь изображен роторный двигатель с двумя камерами сгорания и четырьмя полостями, хотя число пар камер сгорания и полостей на роторе может быть различно, исходя из требований мощности и плавности вращения ротора.
Двигатель содержит статор 1, камеру сгорания 2, нижняя часть которой соединяется соплом 3 с полостями 4 ротора 5 во время рабочего такта, а верхняя часть соединена через канал 6 и впускной клапан 7 с системой подачи сжатого воздуха, а через канал 8 и выпускной клапан 9 - с атмосферой, отверстие 10 сброса давления из полостей 4, распределительный вал 11, кинематически связанный с осью ротора 12 через систему шестерен 13, а кулачком 14 с клапаном 7, кулачком 15 с рычагом 16 насоса-форсунки 17, кулачком 18 с клапаном 9, а также с распределителем 19, свечи 20. Ротор 5, являющийся и маховиком, установлен в корпусе 1 с минимальным зазором между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора, обеспечивая свободное вращение ротора, закреплен на оси 12 в корпусе 1 на подшипниках 21 и закрыт крышкой 22. По диаметру краев ротор 5 содержит секционные уплотнители 23 (например, графитовые), а полости 4 по бокам имеют перегородки 24, кроме того, ротор имеет выступы 25, которые перекрывают сопло 3 после рабочего такта.
Предлагаемый двигатель работает следующим образом.
В исходном положении камера сгорания 2 заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько выше атмосферного, клапаны 7 и 9 закрыты, полость 4 вышла из соединения с соплом 3 и сопло перекрыто выступом 25. При вращении ротора 5 (в направлении стрелки на фиг.1) полость 4 соединяется с отверстием 10 - идет сброс давления из нее, шестеренки 13 поворачивают распределительный вал 11, который выступом кулачка 18 открывает клапан 9 и соединяет через выпускной канал 8 камеру сгорания с атмосферой, идет сброс давления, вращаясь дальше, распределительный вал выступом кулачка 14 открывает клапан 7 и соединяет камеру сгорания 2 через впускной канал 6 с системой подачи сжатого воздуха - идет продувка камеры сгорания. Вращаясь дальше, распределительный вал 11, поворачивая кулачок 18, выводит выступ из зацепления с клапаном 9 и, поднимаясь пружиной, клапан перекрывает выпускной канал 8, в камере 2 поднимается давление от сжатого воздуха, вращаясь дальше, распределительный вал 11, выводит из зацепления выступ кулачка 14 с клапаном 7 и, поднимаясь пружиной, клапан 7 перекрывает впускной канал 6, а кулачком 15 через рычаг 16 давит на привод плунжера насоса-форсунки 17 - происходит впрыскивание топлива в камеру сгорания, вращаясь дальше, распределительный вал 11 замыкает цепь в коробке распределителя 19, и импульс тока высокого напряжения подается на свечи 20 двух камер сгорания 2, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси в двух камерах одновременно. К этому моменту ротор 5 двигателя, совершая вращательное движение, соединяет сопла 3 с полостями 4 обеих камер. Поток газов под большим давлением, направляемый соплом 3, уплотнителями 23 и боковыми стенками 24 по касательной устремляется в полость 4 ротора 5, вращая его. Этот рабочий цикл изображен на фиг.1 и фиг.2. Вращаясь дальше, ротор 5 выступом 25 перекрывает сопло 3, и двигатель приходит в исходное положение. Распределительный вал совершил полный оборот. Далее циклы повторяются.
В изображенном на фиг.1 и фиг.2 варианте, где указаны две камеры сгорания и четыре полости, распределительный вал совершает четыре оборота за один оборот ротора. Количество и соотношение камер сгорания и полостей может быть четно-различным исходя из требований мощности и плавности хода.
Предлагаемое изобретение имеет ряд преимуществ перед прототипом.
1. Работа двух камер сгорания, расположенных радиально-противоположно оси ротора, в едином цикле позволяет взаимно гасить нагрузки, перпендикулярные оси ротора внутри самого ротора, что исключает его вибрацию.
2. Наличие выпускного клапана позволяет осуществлять продувку камеры сгорания от остатков сгоревших газов, а следовательно, увеличит количество свежей топливно-воздушной смеси.
3. Отсутствие в предлагаемом двигателе возвратно-поступательного движения поршней с шатунно-кривошипном механизмом позволяет увеличить частоту вращения ротора, что при одинаковом массовом заряде рабочего объема позволяет получить большую мощность.
4. Наличие боковых стенок полостей ротора, зауженного сопла и секционных уплотнителей позволяет избежать утечки сгоревших газов и направить их по касательной точно в полости.
Перечень исследованной патентной и научно-технической информации
1. Патентная документация во Всероссийской патентно-технической библиотеке раздел: роторные двигатели внутреннего сгорания, кл. F02B 53/00-55/16.
Патент РФ №2074967, кл. F02B 53/00, опубликованный 10.03.97 г.
2. Техническая литература под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова «двигатели внутреннего сгорания» 3 тома изд. Машиностроение.
1. Роторный двигатель, содержащий статор с размещенными в нем камерами сгорания, свечами, впускными и выпускными клапанами, ротор с выполненными в нем на наружной поверхности полостями с боковыми стенками для приема продуктов сгорания рабочей смеси, направляемых из камер сгорания, при этом ротор снабжен уплотнителями по наружному диаметру краев ротора, отличающийся тем, что камеры сгорания размещены в статоре попарно радиально-противоположно оси ротора с возможностью подачи импульса высокого напряжения на свечи для одновременного воспламенения рабочей смеси в двух камерах, каждая из которых содержит кинематически связанные с осью ротора распределительный вал и насос-форсунку, при этом камера сгорания снабжена соплом, длина которого меньше ширины полости ротора.
2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что уплотнители выполнены секционными.
