Роторный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с впускным и выпускным окнами и овальной внутренней рабочей поверхностью, ротор с выдвижными рабочими лопастями, связанный с ним источник сжатого воздуха, топливную форсунку и турбонагнетатель. Рабочие лопасти образуют четыре отсека в корпусе и подлопастные камеры. Двигатель снабжен электропневматической системой выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, выполненной из электропневматического золотника. Золотник сообщает воздуховодами источник сжатого воздуха с подлопастными камерами ротора. На боковых поверхностях пазов ротора выполнены углубления, в которых смонтированы подпружиненные колодки. Колодки образуют камеры, сообщенные в свою очередь воздуховодами с золотником. Лопасти выполнены в виде пакета подвижных друг относительно друга пластин. Слоев пластин в пакете не менее трех. Средняя пластина выполнена с двусторонними прямоугольными выступами по середине. По обе стороны от средней пластины расположены по две подпружиненные относительно выступов профилированные пластины, выполненные П-образной формы. На корпусе между впускным и выпускным окнами выполнено дополнительное окно со съемной крышкой. Техническим результатом является повышение ресурса и надежности двигателя, снижение удельного расхода топлива и масла, снижение токсичности выхлопных газов. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №96106198, Роторный ДВС / А.М.Кармальский. - заявл. 20.06.1998 г.), состоящий из корпуса с эллипсообразной внутренней рабочей поверхностью, впускным и выпускным окнами и установленного внутри цилиндрического ротора с выдвижными лопастями. Перед каждой лопастью на роторе выполнены продольные проточки - камеры сгорания. Дополнительные уплотнительные лопасти, смонтированные на корпусе, прижатые к цилиндрической поверхности ротора, делят внутреннюю полость двигателя на две части.

Недостатками данной конструкции являются низкие надежность и ресурс, экологические и удельные показатели, обусловленные тем, что на всех режимах работы двигателя лопасти находятся в постоянном контакте с рабочими поверхностями под давлением масла, сжатого газа и центробежных сил, что резко увеличивает степень износа лопастей соответственно и контактирующих с ним поверхностей основных деталей двигателя. Они выполнены из металла и имеют сложную зеркальную рабочую поверхность, поэтому практически не подлежат восстановлению. Кроме того, уплотнительные элементы и лопасти на корпусе и на роторе, соударяясь с большой скоростью при вращении ротора, быстро выходят из строя, замена которых требует полной разборки двигателя. Все это значительно снижает надежность и ресурс двигателя. Отсутствие компенсации зазоров между торцами лопастей и крышками корпуса и в пазах ротора снижает герметичность между отсеками, образованными лопастями внутри корпуса, что увеличивает перетечку газов и топливовоздушной смеси, а также увеличивается количество масла, попадающего в камеру сгорания. Помимо этого, двигатель, работая на холостом режиме, сжигает топливо и масло. Все вышесказанное увеличивает количество и токсичность выхлопных газов, удельный расход топлива и масла. Кроме того, для запуска двигателя требуется мощный стартер и аккумулятор, так как процесс сжатия воздуха в камере сгорания создает значительное сопротивление раскручиванию ротора.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ 2178824 F02B 53/14), содержащий корпус, выполненный с овалообразным поперечным сечением, соосно ему расположенный внутри круговой ротор с подвижными лопастями, образующими отсеки в корпусе, и жестко закрепленный к центральной части корпуса золотник, обеспечивающий подачу масла от гидронасоса в камеры под лопастями. На периферии корпуса выполнены попарно впускные и выпускные окна.

Недостатками данной конструкции являются низкие надежность и ресурс, экологические и удельные показатели, обусловленные следующим: при холостом ходе двигателя сжигается топливо и большое количество масла, попадающего под давлением в камеру сгорания с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу, кроме того, конструкция лопастей не обеспечивает достаточной герметичности между отсеками и в пазах ротора из-за того, что контакт с поверхностью корпуса происходит в одной плоскости, причем по овальной поверхности корпуса контакт по линии из-за переменного угла подхода лопастей к овальной поверхности корпуса, а по торцам лопастей и в пазах ротора нет компенсации зазора, который увеличивается вследствие износа контактирующих поверхностей. Все это приводит к перетечке части сжатых газов между отсеками и увеличению количества масла, попадающего в камеры сгорания, что значительно повышает удельный расход топлива и масла и снижает удельную мощность двигателя. Кроме того, наличие двух камер сгорания, соответственно парных окон впуска и выпуска сокращает количество и продолжительность газораспределения, ухудшая работу двигателя. Лопасти, находясь в постоянном контакте с рабочей поверхностью корпуса и пазами ротора под давлением масла, газов и центробежных сил, быстро выходят из строя и повреждают контактирующие с ним поверхности основных металлических деталей двигателя, имеющих сложную конфигурацию, поэтому не подлежащих восстановлению. В связи с этим ресурс ныне существующих роторных двигателей менее 300000 километров пробега, после чего двигатель практически подлежит замене.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение ресурса и надежности двигателя, снижение удельного расхода топлива и масла, снижение токсичности и количества выхлопных газов.

Технический результат достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами и овальной внутренней рабочей поверхностью, ротор с выдвижными рабочими лопастями, образующими четыре отсека в корпусе и подлопастные камеры, связанный с ним источник сжатого воздуха, топливную форсунку и турбонагнетатель, снабжен электропневматической системой выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, выполненной из электропневматического золотника, сообщающего воздуховодами источник сжатого воздуха с подлопастными камерами ротора, а на боковых поверхностях пазов ротора выполнены углубления, в которых смонтированы подпружиненные колодки, образующие камеры, сообщенные в свою очередь воздуховодами с золотником, лопасти выполнены в виде пакета подвижных друг относительно друга пластин, на корпусе между впускным и выпускным окнами выполнено дополнительное окно со съемной крышкой.

Технический результат достигается еще и тем, что слоев пластин в пакете не менее трех, причем средняя пластина выполнена с двусторонними прямоугольными выступами по середине, а по обе стороны от нее по две подпружиненных относительно выступов профилированных пластины, выполненных П-образной формы.

Технический результат достигается еще и тем, что между цилиндрической поверхностью ротора и овальной поверхностью статора выполнен минимальный зазор, равный толщине профилированной пластины.

Технический результат достигается еще и тем, что форсунка смонтирована на корпусе двигателя таким образом, чтобы обеспечить впрыск топлива перед началом такта сжатия воздуха.

Технический результат достигается еще и тем, что колодки и пластины лопастей выполнены из композитного материала на основе графита.

Использование композитного материала, обладающего высокой прочностью, теплостойкостью, низкой массой и хорошими антифрикционными свойствами, позволяет, в отличие от аналога, исключить использование масла как смазочного материала, а также выдерживать высокие нагрузки, создаваемые давлением газов, центробежными силами и силами трения, не вызывая износа рабочих поверхностей корпуса.

Наличие минимального зазора между цилиндрической поверхностью ротора и овальной поверхностью корпуса, равного толщине одной профилированной пластины, исключает поломку всех лопастей при поломке одной пластины.

Наличие подпружиненных колодок и лабиринта образованного П-образными пластинами и прямоугольными выступами уплотняет и фиксирует лопасти в пазах ротора, а изготовление лопастей в виде пакета пластин как минимум трех слоев и наличие, в том числе, подпружиненных профилированных пластин, прижатых к крышкам корпуса, обеспечивает прилегание лопастей к рабочим поверхностям корпуса как минимум по трем параллельным плоскостям, обеспечивая высокую герметичность между отсеками, что резко снижает потери топливно-воздушной смеси и рабочего газа. Наличие дополнительного окна с крышкой на корпусе, где нет давления газов, обеспечивает быструю замену изношенных лопастей и колодок без полной разборки двигателя. Кроме того, турбонагнетатель и лопасти, выступающие из пазов ротора на величину зазора, обеспечивают хорошую продувку и охлаждение внутренней полости двигателя. Все вышесказанное повышает ресурс и надежность двигателя.

Электропневматическая система выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, состоящая из электропневматического золотника, сообщающего подлопастные и подколодочные камеры попеременно с источником сжатого воздуха, обеспечивает надежное прижатие лопастей к овальной поверхности корпуса при рабочем ходе двигателя или фиксирует их в убранном положении, зажимая колодками при холостом ходе двигателя. В отличие от аналога, при холостом ходе двигателя топливо не подается и лопасти находятся в убранном положении, ротор вращается в свободном состоянии по инерции, накапливая энергию торможения двигателем, которая используется для последующего движения или повторного запуска двигателя в период выбега ротора. Топливная форсунка позволяет подавать строго дозированную порцию топлива для объема воздуха, заключенного в отсек всасывания, образованный двумя соседними лопастями в корпусе за впускным окном. Все это снижает износ лопастей, сокращает удельный расход топлива и выброс токсичных газов. Кроме того, запуск двигателя требует менее мощный стартер и аккумулятор, так как ротор раскручивается в свободном состоянии с убранными лопастями.

На фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания. На фиг.2 - пневматическая схема соединения источника сжатого воздуха с подлопастными и подколодочными камерами посредством золотника, а на фиг.3 - лопасть в плане.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с крышками 2, соосно расположенный внутри цилиндрический ротор 3, электропневматический золотник 4, сообщенный с источником 5 сжатого воздуха. Корпус 1 выполнен с овалообразной внутренней рабочей поверхностью, впускным окном 6, выпускным окном 7 и дополнительным окном 8 со съемной крышкой 9.

В пазах ротора 3 установлены лопасти 10, которые состоят из средней пластины 11 с двухсторонними прямоугольными выступами 12 по центру и имеют по две подпружиненные пружиной 13 относительно выступов 12 профилированных пластины 14, расположенных по обе стороны от пластины 11. На боковых поверхностях пазов ротора 3 выполнены углубления 15, где смонтированы колодки 16, подпружиненные пружиной 17. В углублениях 15 колодки 16 образуют подколодочные камеры 18, сообщенные воздуховодами 19 с золотником 4. Лопасти 10 в пазах ротора 3 образуют подлопастные камеры 20, сообщенные в свою очередь воздуховодами 21 с золотником 4. На корпусе 1 смонтирована топливная форсунка 22. Колодки 16 и лопасти 10 выполнены из композитных материалов на основе графита. Цилиндрическая поверхность ротора и овальная поверхность корпуса выполнены с минимальным зазором «в».

Роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При вращении ротора 3 относительно корпуса 1 лопасти 10 в убранном положении и зажаты колодками 16 под действием пружин 17 и сжатого воздуха, подающегося от источника 5 через, находящийся в правом крайнем положении, электропневматический золотник 4 по воздуховодам 19 в подколодочную камеру 18. При этом подлопастная камера 20 сообщена с атмосферой через воздуховод 21 и золотник 4. Ротор 3 вращается в свободном состоянии с убранными лопастями 10. После раскрутки ротора 3 производится запуск двигателя.

Во время запуска сжатый воздух от источника 5 через находящийся в левом крайнем положении золотник 4 по воздуховодам 21 подается в подлопастные камеры 20, прижимая лопасти 10 к овальной поверхности, а из подколодочных камер 18 по воздуховодам 19 и золотник 4 сбрасывается в атмосферу. Профилированные пластины 14 под действием пружин 13 прижаты к крышкам 2 корпуса 1. Уплотнение лопастей 10 в пазах ротора 3 обеспечивается за счет колодок 16, подпружиненных пружиной 17, и за счет лабиринта, образованного прямоугольными выступами 12 на средней пластине 11 и П-образных профилированных пластин 14. Кроме того, выступы 12 удерживают пластины 14 в радиальном направлении, обеспечивая уплотнение как минимум по 3 плоскостям пластин 11, 14 в лопастях 10 и корпуса 1. Ротор 3, вращаясь, получает сжатый воздух от турбонагнетателя через впускное окно 6. Перед началом такта сжатия через форсунку 22 впрыскивается топливо, и образовавшаяся топливовоздушная смесь, сжимаясь, перемещается в отсек сгорания с последующим воспламенением. Создавшееся давление давит на лопасти 10 и вращает ротор 3 с последующим выхлопом через выпускное окно 7. Цикл, повторяясь, раскручивает ротор 3, а выхлопные газы, в свою очередь, раскручивают турбонагнетатель. На холостых оборотах золотник 4 занимает исходное положение, и ротор 3 с зафиксированными в пазах в убранном положении лопастями 10 вращается, как маховик, по инерции. При торможении двигателем ротор 3 раскручивается, накапливая энергию торможения, которая используется на последующее движение или повторный запуск двигателя в период выбега ротора. Все это происходит без касания лопастей 10 овальной рабочей поверхности корпуса 1 и расхода топлива.

Дополнительное окно 8 с крышкой 9 обеспечивает быструю замену изношенных лопастей и колодок, что не требует разборки двигателя, а зазор «в» исключает поломку всех лопастей при поломке одной пластины. Кроме того, турбонагнетатель и лопасти, выступающие на размер «в», обеспечивают продувку и охлаждение внутренней полости двигателя.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания представляет собой роторно-маховичный гибридный двигатель, в котором маховиком, накапливающим энергию наката и торможения двигателем с последующим возвратом, является ротор с убранными лопастями.

Отсутствие масла во внутренней полости между цилиндрической поверхностью ротора и корпусом, использование инерции вращения ротора, исключение сжигания масла и топлива, а также продувка отсеков при холостом ходе двигателя резко снижают количество и токсичность выхлопных газов и значительно повышают экологические и удельные показатели двигателя. Изобретение позволяет повысить ресурс и надежность двигателя, значительно снизить удельный расход топлива и масла и может быть использовано в автомобильной, судостроительной и авиационной промышленности.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами и овальной внутренней рабочей поверхностью, ротор с выдвижными рабочими лопастями, образующими четыре отсека в корпусе и подлопастные камеры, связанный с ним источник сжатого воздуха, топливную форсунку и турбонагнетатель, отличающийся тем, что двигатель снабжен электропневматической системой выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, выполненной из электропневматического золотника, сообщающего воздуховодами источник сжатого воздуха с подлопастными камерами ротора, а на боковых поверхностях пазов ротора выполнены углубления, в которых смонтированы подпружиненные колодки, образующие камеры, сообщенные в свою очередь воздуховодами с золотником, лопасти выполнены в виде пакета подвижных друг относительно друга пластин, на корпусе между впускным и выпускным окнами выполнено дополнительное окно со съемной крышкой.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что слоев пластин в пакете не менее трех, причем средняя пластина выполнена с двусторонними прямоугольными выступами посередине, а по обе стороны от нее - по две подпружиненные относительно выступов профилированные пластины, выполненные П-образной формы.

3. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что между цилиндрической поверхностью ротора и овальной поверхностью статора выполнен минимальный зазор, равный толщине профилированной пластины.

4. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что форсунка смонтирована на корпусе двигателя таким образом, чтобы обеспечить впрыск топлива перед началом такта сжатия воздуха.

5. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что колодки и пластины лопастей выполнены из композитного материала на основе графита.