РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в любых силовых установках.

Известен роторно-поршневой двигатель, содержащий полый корпус, цилиндрические взаимоэксцентрично расположенные полость корпуса и ротор с лопастями и камерами сгорания, органы газообменна, зажигания и топливоподачи, причем органы газообмена расположены на торцовой поверхности ротора и сопряженной с ней поверхности корпуса [1] .

Этот аналог имеет ряд недостатков, обусловленных весьма высокой скоростью скольжения лопастей по поверхности полости корпуса, что приводит к быстрому их износу и низкой надежности. Непосредственный контакт газов при воспламенении и сгорании с рабочей поверхностью корпуса приводит к ее термохимическому износу.

Известен роторно-поршневой двигатель, содержащий полый корпус, цилиндрические полость корпуса и ротор с лопастями и камерами сгорания, органы газообмена, зажигания и топливоподачи, причем лопасти выполнены поворотными и установлены попарно, камеры сгорания расположены между каждой парой лопастей [2] .

Этот двигатель имеет те же недостатки, но расположение осей лопастей на некотором расстоянии каждой пары непроизводительно увеличивает габариты двигателя, а расположение органов газообмена и зажигания на цилиндрической рабочей поверхности корпуса приводит к ударам кромок и ускорению износа лопастей и корпуса.

Известен двигатель, содержащий полый корпус, цилиндрические взаимоэксцентрично расположенные гильзу и ротор с лопастями и рабочими камерами, органы газообмена и подачи рабочего тела, причем в полости корпуса гильза и ротор установлены с возможностью синхронизированного вращения, а лопасти выполнены поворотными с возможностью контакта с гильзой, рабочая камера расположена между парой лопастей, выполнена с возможностью периодического сообщения с органами газообмена через торцовую поверхность ротора по поверхности его сопряжения с корпусом [3] .

Недостатком этого двигателя является невозможность разобщения рабочей камеры с поверхностью гильзы в момент наибольших давления и температуры рабочего тела, а наличие у каждой лопасти своей оси обуславливает большие габариты. Форма лопасти приводит к износу ее конца, постоянно трущегося по поверхности гильзы.

Наиболее близким к изобретению по решаемой задаче и общему числу сходных признаков является техническое решение, в котором описан роторно-поршневой двигатель, содержащий полый корпус, цилиндрические взаимоэксценерично расположенные гильзу и ротор с лопастями и камерами сгорания, органы газообмена, зажигания и топливоподачи, причем в полости корпуса гильза и ротор установлены с возможностью синхронизированного вращения, а лопасти - с возможностью контакта с гильзой [4] .

Недостатком прототипа является невозможность разобщения камеры сгорания в момент воспламенения и сгорания, т. е. при наибольших давлениях и температурах рабочего тела, что приводит к ускоренному износу рабочих поверхностей из-за термохимического износа. Расположение органов воспламенения на цилиндрической поверхности корпуса резко усложняет их конструкцию и эксплуатацию двигателя и снижает его функциональные возможности.

Целью изобретения является повышение надежности и эксплуатационных качеств роторно-поршневого двигателя.

Указанная цель достигается тем, что роторно-поршневой двигатель, содержащий полый корпус, цилиндрические взаимоэксцентрично расположенные гильзу и ротор с лопастями и камерами сгорания, органы газообмена, зажигания и топливоподачи, причем в полости корпуса гильза и ротор установлены с возможностью синхронизированного вращения, лопасти - с возможностью контакта с гильзой, а органы газообмена расположены на торцовой поверхности корпуса, снабжен поворотной втулкой с эксцентрично расположенным отверстием, в котором установлена с возможностью вращения гильза, лопасти выполнены поворотными, установлены в роторе попарно на осях и снабжены цилиндрическими шторками, установленными соосно соответствующей оси лопасти, внешняя поверхность каждой лопасти выполнена цилиндрической с радиусом, равным радиусу внешней поверхности ротора, а внутренняя сопряжена с поверхностью ротора, в котором каждая камера сгорания выполнена с возможностью периодического сообщения с органами газообмена и топливоподачи через торцовую поверхность ротора, в торцовой поверхности корпуса выполнена серпообразная выемка, внутренняя поверхность которой соосна ротору, а внешняя - полости корпуса, органы газообмена расположены в серпообразной выемке, органы воспламенения и топливоподачи - на торцовой поверхности корпуса по поверхности ее сопряжения с торцовой поверхностью ротора, при этом лопасти выполнены с возможностью разобщения камеры сгорания и рабочего объема.

Для достижения дополнительного эффекта гильза выполнена из трех частей, две из которых связаны по сопряженным винтовым поверхностям с возможностью взаимного перемещения в окружном направлении, а третья подпружинена относительно торцовой поверхности одной из указанных частей в осевом направлении с возможностью поджатия к торцовой поверхности ротора, а в гильзе на ее поверхности выполнены ребра в виде лопаток центробежного и осевого вентиляторов.

Наличие указанных отличий подтверждает то, что изобретение соответствует критерию "новизна". Проведенный патентный поиск и сравнительный анализ свойств тождественных признаков не выявил этих признаков в известных технических решениях, что позволяет утверждать, что изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - частичный разрез по месту сопряжения винтовых поверхностей частей гильзы по оси двигателя; на фиг. 5 и 6 - разрез по лопаткам гильзы в различных фазах протекания рабочего процесса; на фиг. 7 - один из вариантов фиксации втулки.

Роторно-поршневой двигатель содержит полый корпус 1, цилиндрические взаимоэксцентрично расположенные гильзу 2 и ротор 3 с валом и лопастями 4 и камерами сгорания 5, органы газообмена 6, зажигания 7 и топливоподачи 8. Оси вращения гильзы 2 и ротора 3 смещены одна относительно другой.

В полости корпуса 1 гильза 2 и ротор 3 установлены с возможностью синхронизированного вращения, лопасти 4 - с возможностью контакта с гильзой 2, а органы газообмена 6 расположены на торцовой поверхности корпуса 1. В корпусе 1 установлена также поворотная втулка 9 с эксцентрично расположенным отверстием, в котором установлена с возможностью вращения гильза 2. Втулка 9 снабжена механизмом фиксации от проворота, например, в виде резьбовой шпильки с гайкой, размещенных в криволинейном пазу (фиг. 7). Лопасти 4, расположенные на роторе 3, выполнены поворотными и установлены попарно на осях 10, причем лопасти 4 снабжены дуговыми шторками 11, установленными соосно соответствующей оси 10 лопасти 4. Внешняя поверхность каждой лопасти 4 выполнена цилиндрической с радиусом, равным радиусу внешней поверхности ротора 3, а внутренняя сопряжена с поверхностью выемки ротора 3. В роторе 3 диаметрально расположены две камеры сгорания 5, каждая из которых выполнена с возможностью периодического сообщения с органами газообмена 6, зажигания 7 и топливоподачи 8 через торцовую поверхность ротора 3. В торцовой поверхности корпуса 1 выполнена серпообразная выемка 12 (фиг. 3), внутренняя поверхность 13 которой соосна ротору 3, а внешняя 14 - полости корпуса 1. Органы газообмена 6, выполненные в виде клапанов, расположены в серпообразной выемке 12, а органы зажигания 7 и топливоподачи 8 - на торцовой поверхности корпуса
1, сопряженной с торцовой поверхностью ротора 3. Рабочие объемы 15 заключены между сопряженными поверхностями лопастей 4, ротора 3 и гильзы 2, причем лопасти 4 выполнены с возможностью разобщения камеры сгорания 5 и рабочего объема 15 путем взаимного контакта концов соседних лопастей 4 (верхняя часть фиг. 2). Гильза 2, установленная в корпусе 1, выполнена составной из трех частей (фиг. 4), причем части 16 и 17 связаны по сопряженным винтовым поверхностям (типа ходовой резьбы с трапецеидальным профилем) с возможностью взаимного возвратно-поступательного перемещения в окружном направлении, а третья дисковая часть 18 подпружинена в осевом направлении с возможностью поджатия к торцовой поверхности ротора 3. Кроме того, на поверхности гильзы 2 выполнены ребра в виде лопаток 19 центробежного вентилятора и лопаток 20 осевого вентилятора, осуществляющих обдув и охлаждение гильзы 2. Поворотная втулка 9 с эксцентрично расположенным отверстием позволяет осуществить компенсацию износа в процессе работы двигателя и обеспечить надежный контакт ротора 3 и его лопастей 4 с внутренней поверхностью гильзы 2. Шторки 11, установленные на лопастях 4, обеспечивают уплотнение рабочих объемов со стороны осей 10. Ротор 3 выполнен полым и его вал снабжен каналами подачи и отвода масла, обеспечивающего смазку подшипников и охлаждение ротора 3. На валу ротора 3 установлена ведущая шестерня 21, приводящая во вращение шестерню 22, закрепленную на распределительном валу 23, приводящем масляный насос 24 и насос-форсунку органов топливоподачи 8. Шестерня 22 снабжена кулачками, приводящими в работу клапаны органов газообмена 6. Подача воздушного заряда и отвод отработавших газов осуществляется через впускной 25 и выпускной 26 коллекторы. В валу гильзы 2 выполнено осевое отверстие 27 для подачи охлаждающего воздуха к лопаткам 19 и 20, осуществляющим обдув наружной поверхности гильзы 2 для теплоотвода и поддержания нормального температурного режима в процессе работы двигателя. Отвод охлаждающего воздуха производится через отверстия в торцовой крышке 28 корпуса 1.

При работе двигателя и вращении по часовой стрелке ротора 3 и гильзы 2, имеющих смещенные оси вращения, происходит периодическое изменение рабочих объемов, заключенных между поверхностями ротора 3, его лопастей 4 и гильзы 2, причем при нахождении в верхней части двигателя (фиг. 2) эти объемы имеют минимальное значение, а при нахождении в нижней части - максимальное, плавно изменяясь по мере поворота ротора 3.

При движении ротора 3 все его четыре лопасти имеют постоянный контакт с внутренней поверхностью гильзы 2 и образуют две отделенные одна от другой полости, рабочие процессы в которых смещены по фазе на 180^о.

При вращении ротора 3 и начале увеличения объема полости (фиг. 5) открывается впускной клапан 6 и воздушный заряд через впускной коллектор 25 и клапан 6 из-за разрежения в полости поступает в нее. После достижения максимального объема этой полости впускной клапан закрывается и процесс впуска заканчивается (фиг. 4). При дальнейшем вращении ротора 3 происходит процесс сжатия воздушного заряда из-за уменьшения объема полости и его постепенное перемещение в полость камеры сгорания 5. После перетекания всего воздушного заряда в полость камеры сгорания и ее перекрытия концами соседних лопастей 4 происходит впрыск топлива форсункой 8 или воспламенение топливовоздушной смеси свечой зажигания 7. Высокотемпературные газы, образовавшиеся в процессе сгорания топлива, начинают расширяться, приводя во вращение ротор 3 и вырабатывая полезную механическую энергию. При этом происходит раскрытие соседних лопастей 4 и поступление высокотемпературных газов из камеры сгорания 5 в полость расширения. Наличие перекрытия камеры сгорания 5 лопастями в момент сгорания топлива позволяет защитить рабочую поверхность гильзы 2 от физико-химического воздействия продуктов сгорания, снизить ее износ и тем самым повысить надежность и эксплуатационные качества заявляемого двигателя. При дальнейшем повороте ротора 3 открывается выпускной клапан 6' и отработавшие газы выпускаются через выпускной коллектор 26 в атмосферу. Далее рабочий цикл повторяется в каждой из полостей со смещением по фазе на 180^о, обеспечивая четырехтактный цикл за два оборота ротора в каждой из полостей.

Герметичность замкнутых объемов, в которых протекают термодинамические процессы, обеспечивается плотным прижатием лопастей 4 ротора 3 к внутренней поверхности гильзы 2 давлением газов и центробежных сил, наличием шторок 11, установленных на лопастях 4 в зоне их осей 10, а также постоянным контактом торца ротора 3 с дисковой частью 18 гильзы 2, обеспечиваемым поджатием этой части с помощью пружин в осевом направлении. Устранение перетечек рабочего тела при необходимости обеспечивается системой радиальных и торцовых уплотнений.

Синхронное вращение гильзы 2 и ротора 3 при работе двигателя обеспечивается наличием кинематической связи этих узлов, которая при необходимости может быть выполнена по типу шестеренчатой передачи с промежуточным валом или с помощью шарнирно закрепленных в роторе и гильзе вспомогательных лопаток.

Наличие в предложенном двигателе вращающихся гильзы и ротора с поворотными лопастями, торцы которых в процессе работы двигателя смыкаются, разобщая камеру сгорания и рабочий объем, резко снижает термохимический износ сопряженных узлов и деталей двигателя и повышает надежность и эксплуатационные качества двигателя. (56) 1. Заявка Великобритании N 2078303, кл. F 01 C 1/344, опублик. 1982.

2. Патент США N 3824968, кл. F 02 B 55/14, опублик. 1974.

3. Патент США N 3601512, кл. F 01 C 21/00, опублик. 1971.

4. Патент США N 3426735, кл. F 02 B 53/06, опублик. 1969.

Использование: конструкции роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания. Цель изобретения - повышение надежности и эксплуатационных качеств двигателей. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус и взаимноэксцентрично расположенные в полости корпуса вращающиеся гильзу и ротор с поворотными лопастями и камерами сгорания. В двигателе используется клапанная система газораспределения, расположенная в выемке торца корпуса. Гильза установлена в эксцентричной втулке для обеспечения компенсации износа сопряженных поверхностей гильзы и ротора. Лопасти установлены в роторе попарно на осях и снабжены дуговыми шторками, причем внешняя поверхность каждой лопасти выполнена с радиусом, равным радиусу внешней поверхности ротора, а торцы сопряженных лопастей выполнены с возможностью отделения камеры сгорания от полости расширения. Кроме того, гильза выполнена составной из трех частей, две из которых связаны по сопряженным винтовым поверхностям с возможностью взаимного перемещения в окружном направлении, а третья дисковая часть подпружинена в осевом направлении с возможностью поджатия к торцу ротора. Рабочие объемы заключены между поверхностями гильзы, ротора и лопастей. В процессе работы двигателя лопасти ротора прижаты к внутренней поверхности гильзы центробежными силами и давлением газов. При совместном вращении гильзы и ротора происходит периодическое изменение рабочих объемов, необходимое для протекания термодинамических процессов и получения полезной механической работы. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий полый корпус, цилиндрические взаимно эксцентрично расположенные в нем гильзу и ротор с лопастями и камерами сгорания, органы газообмена, зажигания и топливоподачи, причем в полости корпуса гильза и ротор установлены с возможностью синхронизированного вращения, а лопасти - с возможностью контакта с гильзой, органы газообмена расположены на торцевой поверхности корпуса, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен поворотной втулкой с эксцентрично расположенным отверстием, в котором установлена на подшипниках гильза, лопасти выполнены поворотными и установлены в роторе попарно на осях и снабжены цилиндрическими шторками, установленными соосно с соответствующей осью лопасти, внешняя поверхность каждой лопасти выполнена цилиндрической с радиусом, равным радиусу внешней поверхности ротора, а внутренняя сопряжена с поверхностью ротора, в котором каждая камера сгорания выполнена с возможностью периодического сообщения с органами газообмена, зажигания и топливоподачи через торцевую поверхность ротора, в торцевой поверхности корпуса выполнена серпообразная выемка, внутренняя поверхность которой соосна с ротором, а внешняя - соосна с полостью корпуса, органы газообмена расположены в серпообразной выемке, а органы зажигания и топливоподачи - на торцевой поверхности корпуса по поверхности сопряжения ее с торцевой поверхностью ротора, лопасти выполнены с возможностью разобщения камеры сгорания и рабочего объема двигателя. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что гильза выполнена составной из трех частей, две из которых связаны по сопряженным винтовым поверхностям с возможностью взаимного перемещения в окружном направлении, а третья часть подпружинена в осевом направлении с возможностью поджатия к торцевой поверхности ротора. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в гильзе и на ее поверхности выполнены ребра в виде профилей лопаток центробежного и осевого вентиляторов, расположенные последовательно по ходу потока.