Роторный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с полостью цилиндрической формы, торцевые крышки и ротор цилиндрической формы. В корпусе выполнены впускное и выпускное отверстия. Ротор жестко связан с валом. Ротор имеет два паза, выполненных один против другого на внешней поверхности с возможностью размещения в каждом из них поршня качения месяцеобразной формы с закрепленным на нем диском большего диаметра, имеющим зубчатое сцепление с внутренней поверхностью корпуса. На внутренней поверхности корпуса диаметрально расположены два разделительных выступа для формирования герметичных объемов всасывания и рабочего вместе с ротором, поршнями качения и внутренней поверхностью корпуса. В одном из разделительных выступов выполнено отверстие, в котором размещен шток с возможностью перемещения в радиальном направлении для изменения объема сжатия. Впускное и выпускное отверстия выполнены напротив штока по обе стороны разделительного выступа. На внутренней поверхности каждой торцевой крышки выполнен перепускной продольный канал. Между торцевыми крышками и ротором размещены герметизирующие пластины. Месяцеобразные поршни качения снабжены уплотнительными полукольцами. Техническим результатом является упрощение конструкции, уменьшение габаритов и веса и повышение КПД двигателя. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использован на автотранспорте, винтовых самолетах, вертолетах.
Известен роторный ДВС (US, №544245, кл. F02В 53/00, публ. 1970), содержащий корпус с полостью цилиндрической формы, в котором расположен ротор, имеющий разделительные пластины, посредством которых за счет смещения оси вращения ротора относительно геометрического центра цилиндрической полости корпуса при вращении ротора образуются рабочие объемы, необходимые для образования и протекания термодинамических циклов роторного ДВС. При вращении ротора за счет перемещения разделительных пластин вдоль радиуса ротора на переменные расстояния от центра ротора происходит смещение центра масс вращения ротора с разделительными пластинами, что ведет при увеличении оборотов роторного ДВС к повышенным нагрузкам на подшипниковые узлы вращения ротора, что, в свою очередь, ограничивает обороты и, как следствие, удельную мощность ДВС.
Известен универсальный двигатель Белашова (RU, №2126093, МПК F02В 69/02, публ. 1997.10.06), содержащий кривошипно-шатунный механизм, систему питания, систему зажигания, систему смесеобразования и размещенный в цилиндре поршень с камерой сгорания, головкой поршня и системой регулирования объема и сжатия воздушной и газообразной смеси. Головка поршня выполнена в виде цилиндра с крышкой. Внутри головки поршня размещена свеча, форсунка, устройство перепускного переключения, впускной и выпускной клапан, который взаимодействует с внутренней поверхностью камеры сгорания поршня, выполненной в виде стакана. Между цилиндром блока и головкой поршня размещена дополнительная камера, система регулирования объема и сжатия рабочей смеси, которая связана с дополнительной камерой. Наличие большого количества деталей усложняет конструкцию данного ДВС.
Известен ДВС (RU №2269661, F02D 53/02 МПК, публ. 2006.02.10), который содержит эллипсообразную камеру сгорания с параллельными торцевыми стенками и поршневой треугольный ротор. Наличие принудительного впрыска горючей смеси требует дополнительных устройств, усложняет конструкцию. При вращении треугольного ротора происходит смещение центра масс, что приводит к разбалансировке двигателя и ограничению его оборотов.
Наиболее близким техническим решением по конструктивному выполнению и достигаемому результату - сбалансированности узлов, увеличению оборотов двигателя и, как следствие, повышению КПД является ДВС A.M.Суворова, усовершенствованный благодаря устранению смещения центра масс вращения ротора (RU, №2084659, МПК F02В 53/00, публ. 1997.07.02), содержащий корпус с полостью цилиндрической формы, ротор цилиндрической формы, имеющий плоские площадки, расположенные на поверхности ротора параллельно оси его вращения, попарно симметричные друг к другу, а также разделительные пластины, образующие объемы рабочий и сжатия, разделенные кольцом с перепускными окнами. При вращении ротора между корпусом, ротором, разделительными пластинами и разделительными кольцами образуются по два изменяющихся объема сжатия и рабочих объема. Наличие раздельных объемов рабочего и сжатия приводит к увеличению размеров двигателя, а конструкция ротора позволяет сжимать топливную смесь не более чем в 12 раз, что требует использования низкооктановых видов топлива. Наличие разделительных пластин, имеющих внешний привод от распределительного вала, усложняет конструкцию.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов и веса двигателя благодаря устранению внешней кинематической связи, расширение применяемых марок горючего, за счет возможности изменения степени сжатия топливной смеси в рабочем объеме, повышения КПД, достигаемое сбалансированностью подвижных элементов двигателя.
Поставленная задача решается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с полостью цилиндрической формы с впускными и выпускными отверстиями, торцевые крышки, ротор цилиндрической формы, жестко связанный с валом, согласно изобретению, имеет ротор с двумя пазами, выполненными один против другого на внешней поверхности с возможностью размещения в каждом из них поршня качения месяцеобразной формы с закрепленным на нем диском большего диаметра, имеющим зубчатое сцепление с внутренней поверхностью корпуса, на внутренней поверхности которого диаметрально расположены два разделительных выступа для формирования герметичных объемов всасывания и рабочего вместе с ротором, поршнями качения и внутренней поверхностью корпуса, в одном из разделительных выступов выполнено отверстие, в котором размещен шток с возможностью перемещения в радиальном направлении для изменения объема сжатия, в корпусе напротив штока по обе стороны разделительного выступа выполнены впускное и выпускное отверстия, на внутренней поверхности каждой торцевой крышки выполнен перепускной продольный канал, между торцевыми крышками и ротором размещены герметизирующие пластины.
При качении по внутренней полости корпуса поршни, огибая разделительные выступы, за счет своей месяцеобразной формы формируют малый объем камеры сгорания, что приводит к увеличению степени сжатия горючей смеси. Выполнение кинематической (зубчатой) связи поршней качения с внутренней поверхностью корпуса исключает сложную систему внешней кинематической связи, присущей прототипу.
Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, где
на фиг.1 представлено поперечное сечение роторного ДВС.
На фиг.2 показано продольное сечение роторного ДВС.
На фиг.3 приведен чертеж двигателя без торцевых крышек и герметизирующих пластин.
На фиг.4 представлен чертеж торцевых крышек корпуса ДВС.
На фиг.5 приведен чертеж герметизирующих пластин: А - вид спереди, В - вид сбоку.
На фиг.6 представлено уплотнительное кольцо месяцеобразного поршня, вид в аксонометрии.
На фиг.7 приведена схема положения поршней в момент формирования объема сжатия и воспламенения (отмечено звездочкой) горючей смеси.
На фиг.8 представлена схема положения поршней в момент максимальной степени сжатия и воспламенения (отмечено звездочкой) горючей смеси.
На фиг.9 приведена схема положения поршней при расширении горючей смеси после воспламенения.
На фиг.10 представлена схема положения поршней в процессе совершения двигателем работы с одновременным выбросом отработанных газов.
Двигатель содержит корпус 1 (фиг.1, 2, 3), в котором выполнена полость цилиндрической формы с разделительными выступами 2, 3, впускные и выпускные каналы 4, 5 для закачки горючей смеси и отвода отработанных газов. Цилиндрический корпус 1 имеет торцевые крышки 6 и 7 (фиг.4) с выбранными перепускными каналами 8, позволяющими полнее использовать энергию горючего, через которые проходит вал двигателя 9, крепящийся в подшипниках 10, 11. На валу фиксируется ротор 12 с выполненными в нем (по крайней мере, одной) двумя или более криволинейными полостями, в которых размещены (по крайней мере, один) месяцеобразные поршни качения 13 и 14, которые сбалансированы относительно центров вращения. С противоположных сторон поршней 13, 14 закреплены диски 15 и 16 диаметром, большим диаметра поршней 13, 14, которые имеют зубчатое сцепление 17 с внутренней поверхностью корпуса 1 (фиг.3). Диски 15, 16 размещены в пазах герметизирующих пластин 18, 19 (фиг.4) и жестко закреплены на противоположных торцах ротора 12. В герметизирующих пластинах 18, 19 выполнены сквозные отверстия 20, 21.
Для герметизации рабочих объемов ДВС использованы герметизирующие полукольца 22, размещенные в пазах 23 (фиг.2), выполненных в поршнях качения 13, 14 и соответственно подпружиненные (не показано на чертеже).
Ротор 12 ДВС, герметизирующие пластины 18, 19 и вал 9 посредством крепежных элементов образуют жесткую конструкцию.
В разделительном выступе 3 выполнен паз 24, в котором помещен подвижный шток 25 с возможностью изменения высоты его выдвижения для регулирования степени сжатия горючей смеси в зависимости от используемого горючего (газ, бензин с различным октановым числом, дизельное топливо).
В стенке корпуса 1 двигателя, в зоне расширения горючей смеси, выполнен канал 26 для прокачки охлаждающей жидкости.
При вращении ротора 12 внутри корпуса 1 происходят термодинамические процессы, представленные на фиг.7-10.
Корпус 1, ротор 12 и разделительные выступы 2, 3 вместе с месяцеобразными поршнями 13, 14 образуют объемы всасывания и сжатия рабочей смеси.
При прокручивании стартером (на чертеже не показан) ротора 12, благодаря зубчатому сцеплению 17 дисков 15, 16 с внутренней поверхностью корпуса 1, месяцеобразные поршни 13, 14 проворачиваются вокруг своей оси и перемещаются по окружности в цилиндрической полости корпуса 1, при этом за счет создаваемого разрежения происходит всасывание горючей смеси через впускной канал 4 и одновременно сжатие горючей смеси (фиг.7).
Сопряжение внутренних поверхностей поршней качения 13, 14 с поверхностями разделительных выступов 2, 3 обеспечивается соотношением радиуса R внутренней цилиндрической полости корпуса 1 и радиуса г дисков 15, 16 (фиг.3).
При этом траектория движения точек окружности радиуса г, катящейся без скольжения внутри другой с радиусом R, описывается системой уравнений:
где угол a - угол поворота производящей окружности (см., например, М.Я.Выгодский, «Справочник по высшей математике», Изд. «Наука», Москва, 1973 г., с.811). При соотношении радиусов, как 2:1, точки окружности, катящейся без скольжения внутри другой окружности, движутся по траектории, соответствующей диаметру большей окружности, поэтому при повороте ротора 12 на 360 градусов поршни качения 13, 14 дважды проворачиваются вокруг своей оси и накатываются на разделительные выступы 2, 3 своими вогнутыми частями.
Поршни 13, 14, накатываясь на разделительный выступ 3, максимально сжимают топливную смесь. В этот момент или с его опережением происходит воспламенение смеси (помечено звездочкой) от свечи зажигания в бензиновом двигателе или за счет повышения температуры в рабочем объеме в дизельном двигателе (фиг.8). При термодинамическом расширении рабочего тела в камере, образуемой поршнями 13, 14 и разделительным выступом 3, происходит формирование крутящего момента (фиг.9). По мере вращения ротора 12 образуются объемы расширяющегося рабочего тела между разделительным выступом 3 и поршнями 13, 14, а также между полостью поршней 13, 14 и ротором 12 (фиг.10), которые сообщаются между собой через перепускные каналы 8 торцевых крышек 6, 7, создавая давление на поршни качения 13, 14. Одновременно с рабочим ходом поршней 13, 14 происходит выхлоп отработанных газов через выпускной канал 5. Так как объем, формируемый в камере, образуемой поршнями качения 13, 14 при накатывании их на разделительный выступ 3, более чем в 20 раз превышает объем расширения, достигается высокая степень сжатия горючей смеси.
Перемещением штока 25 в пазе 24 разделительного выступа 3 достигается регулирование сжатия рабочей смеси и тем самым возможность использование горючего различных марок, что не характерно для известных аналогов. Так как возвратно-поступательные движения отдельных элементов двигателя, присущие прототипу, заменены на вращательные движения поршней качения 13, 14, обеспечивается балансировка всех подвижных элементов и, следовательно, исключается ограничение на скорость вращения ротора, что позволяет увеличить КПД роторного ДВС.
1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с полостью цилиндрической формы, в котором выполнены впускное и выпускное отверстия, торцевые крышки, ротор цилиндрической формы, жестко связанный с валом, отличающийся тем, что ротор имеет два паза, выполненные один против другого на внешней поверхности, с возможностью размещения в каждом из них поршня качения месяцеобразной формы с закрепленным на нем диском большего диаметра, имеющим зубчатое сцепление с внутренней поверхностью корпуса, на внутренней поверхности которого диаметрально расположены два разделительных выступа для формирования герметичных объемов всасывания и рабочего вместе с ротором, поршнями качения и внутренней поверхностью корпуса, в одном из разделительных выступов выполнено отверстие, в котором размещен шток с возможностью перемещения в радиальном направлении для изменения объема сжатия, впускное и выпускное отверстия выполнены напротив штока по обе стороны разделительного выступа, на внутренней поверхности каждой торцевой крышки выполнен перепускной продольный канал, между торцевыми крышками и ротором размещены герметизирующие пластины.
2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что месяцеобразные поршни качения снабжены уплотнительными полукольцами.
