РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторным двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.

Известно много конструкций роторных двигателей внутреннего сгорания: двигатель Кули (США), Амплебая (Англия), Валиндера и Скоога (Швеция), Ванкеля (ФРГ). Эти двигатели не получили широкого распространения из-за кинематической и технологической сложности, трудности уплотнения, охлаждения, смазки и смесеобразования. Все эти недостатки снижают надежность, моторесурс, экономичность двигателя.

Прототипом выбрана конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками, эксцентрично установленный в корпусе ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти, а также системы топливоподачи и газообмена.

Недостатком данной конструкции является чрезмерно сложное и громоздкое устройство ротора с внутренними полостями, приводом из зубчатой передачи и кулачковыми распредвалами, а также сложной системой газораспределения, уплотнения и охлаждения. Все это снижает надежность и экономичность двигателя, удорожает его изготовление, сборку, регулировку.

Целью изобретения является повышение экономичности, компактности и упрощение конструкции.

Указанная цель достигается за счет того, что роторный двигатель внутреннего сгорания имеет сплошной ротор с двумя или более лопастями, между которыми в роторе выполняются камеры сгорания сферического или цилиндрического типа, цилиндрический ротор эксцентрично расположен в цилиндрическом корпусе.

Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания организован таким образом, что процесс сжатия происходит при вращении ротора в полости между двумя соседними лопастями, включающей полость камеры сгорания, а процесс горения происходит, в основном, в полости камеры сгорания, а также в полости между лопастями при их положении максимального сжатия порции рабочего тела.

Крутящий момент на валу ротора создается за счет разности сил давления газов на более выдвинутую и менее выдвинутую лопасти. Процесс смесеобразования происходит в камере сгорания цилиндрической или сферической формы, а также в пространстве между лопастями с образованием вихревого движения топливного факела или топливовоздушной смеси.

Предлагаемая конструкция роторного двигателя и способ его работы может реализовать как четырехтактный, так и двухтактный цикл двигателя внутреннего сгорания (дизельного или карбюраторного).

На фиг. 1 и 2 показаны продольное и поперечное сечение роторной машины, выполненной в виде четырехтактного двухлопастного двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 3-11 - порядок работы двигателя и процессы, протекающие в двигателе за два полных оборота ротора; на фиг. 12 - поперечное сечение роторного двигателя, выполненного в виде двухтактного четырехлопастного роторного двигателя внутреннего сгорания.

Роторный двигатель в виде четырехтактного двухлопастного ДВС (фиг. 1 и 2) включает неподвижный цилиндрический корпус (статор) 1, эксцентрично расположенный ротор 2 с лопастями 3, две торцевые крышки 4 с подшипниками 5 вала 6 ротора 2, впускные 7 и выпускные 8 клапаны, распределительные валы 9,10, топливную форсунку 11, впускной коллектор 12, выпускной коллектор 13, топливный насос высокого давления, турбо- либо приводной нагнетатель, агрегаты привода вспомогательных систем (не показаны). Вместо форсунки может быть установлена свеча зажигания, а вместо топливного насоса высокого давления - карбюратор. В роторе 2 выполнены камеры сгорания 14 сферической или цилиндрической формы и радиальные пазы 15 для перемещения лопастей 3.

Роторный двигатель состоит из корпуса 1 с размещенными в нем клапанами 7 и 8, топливной форсункой 11 (либо свечой зажигания) и смонтированными на нем распределительными валами 9,10, топливным насосом высокого давления (либо карбюратором), нагнетателем воздуха, впускным коллектором 12 и выпускным коллектором 13. К корпусу 1 крепятся торцевые крышки 4, в подшипниках 5 установлен вал 6 эксцентрично расположенного по отношению к корпусу ротора 2. В роторе 2 в радиальных пазах размещены лопасти 3. В роторе между радиальными пазами выполнена камера сгорания сферической или цилиндрической формы.

Процессы, происходящие с рабочим телом, обозначены на фиг. 3-11 следующим образом: I - наполнение; II - сжатие; III - рабочий ход; IV - выпуск. Рабочий цикл организован следующим образом.

При повороте ротора по часовой стрелке в начальный момент времени открыты впускные и выпускные клапаны и происходит продувка нижней полости (фиг. 3). При дальнейшем повороте ротора начинается процесс наполнения I левой полости (фиг. 4) при давлении P_a или Р_н. Процесс наполнения I заканчивается при повороте ротора на 180^о (фиг. 5). При этом в нижней полости (фиг. 5) происходит продувка. В течение следующих 180^оповорота ротора выпускной клапан закрыт и в правой полости (фиг. 6) происходит процесс сжатия II.

В левой полости (фиг. 6) происходит процесс наполнения I. Процессы сжатия II до давления P_b и наполнения I заканчиваются при повороте ротора на 360^о от начального положения (фиг. 7). При этом закрывается впускной клапан, производится впрыск топлива (или воспламенение топливовоздушной смеси от свечи зажигания), воспламенение и горение топливовоздушной смеси (фиг. 7), повышение давления до максимального давления сгорания P_z.

При следующих 180^о поворота ротора в левой полости (фиг. 8) происходит расширение продуктов сгорания - рабочий ход III, давление снижается до P_b. В правой полости (фиг. 8) происходит процесс сжатия II. Эти процессы заканчиваются при повороте ротора на 540^о от начального положения (фиг. 9). В этот момент в нижней полости (фиг. 9) происходит впрыск топлива, воспламенение и горение топливовоздушной смеси другой порции.

В течение следующих 180^о поворота ротора открывается выпускной клапан, в правой полости (фиг. 10) происходит процесс выпуска отработавших газов IV, а в левой полости (фиг. 10) - рабочий ход III. При этом цикл роторного четырехтактного двухлопастного ДВС завершается (фиг. 11) и начинается новый.

На фиг. 12 показано поперечное сечение роторного двигателя в виде двухтактного четырехлопастного роторного ДВС, включающего неподвижный цилиндрический корпус (статор) 1, торцевые крышки с подшипниками (не показаны), эксцентрично расположенный ротор 2 с углублениями 16 и прорезями 17, лопасти 3, вал 6 ротора, каналы 18,19 газораспределения, коллекторы 20,21 воздухоснабжения и газоотвода, форсунку 11 (либо свечу зажигания), топливный насос высокого давления с механизмом привода либо карбюратор (не показаны).

Роторный двигатель состоит из цилиндрического корпуса 1 с размещенными в нем каналами 18,19 газораспределения и топливной форсункой 11 (либо свечой зажигания). К корпусу при помощи шпилек крепятся торцевые крышки с подшипниками (не показаны). В подшипниках устанавливается вал 6 ротора 2 эксцентрично по отношению к корпусу. В роторе выполнены прорези 17 для перемещения в них лопастей 3. Между лопастями в корпусе ротора выполняются камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений 16. К корпусу крепятся коллекторы 20,21, топливный насос высокого давления (либо карбюратор) и приводной или турбонагнетатель (не показаны).

Работа роторного двигателя происходит в следующем порядке. При вращении ротора по часовой стрелке в момент совмещения полости между лопастями с каналом 19 происходит наполнение полости свежим зарядом воздуха при давлении P_a или Р_н, продувка полости и частичная потеря заряда через канал 18. После того, как полость перестанет сообщаться с каналом 18 продолжается только процесс наполнения. Когда полость между лопастями перестает сообщаться с каналом 19, начинается процесс сжатия, продолжающийся 120-130^о поворота ротора и заканчивающийся при достижении положении (с) минимального объема полости между лопастями (на фиг. 12 - в нижнем положении) с повышением давления до Р_с. В этот момент через форсунку 11 впрыскивается порция топлива (либо поджигается топливовоздушная смесь от свечи зажигания), после чего происходит процесс сгорания топлива c-z с повышением давления до Р_z и последующим процессом расширения z-b до начала открытия каналов 18. Процесс расширения продолжается в течение 120-130^о поворота ротора до давления P_b. При открытии каналов 18 происходит процесс выпуска отработавших газов b-a с падением давления от P_b до P_a. При дальнейшем повороте ротора полость соединяется с каналами 19, цикл заканчивается и начинается новый. Аналогичные процессы повторяются в других соседних межлопастных рабочих объемах.

Таким образом, в двухтактном четырехлопастном роторном двигателе за один оборот двигателя происходит четыре вспышки и четыре рабочих цикла. При n лопатках при полном обороте двигателя происходит n впрысков топлива и соответственно n рабочих циклов.

При изготовлении цилиндров, роторов из керамики или углерод-углеродных композитов, а пластин лопастей из графитовых композитов роторный двигатель может работать эффективно без принудительного охлаждения и без жидкостной смазки.

При использовании углерод-углеродных композитов с низким значением коэффициента температурного расширения (до 10^-7) для повышения срока службы внутренняя поверхность цилиндра, наружная поверхность ротора могут быть покрыты окислозащитной пленкой из пиролитического углерода, карбида кремния и др.

Технико-экономическая эффективность предлагаемой конструкции роторной машины заключается в том, что за счет упрощения конструкции и способа работы, организации воспламенения во внутренней межлопастной полости и камере сгорания и вихревого движения заряда, снижения массогабаритных характеристик повышается экономичность двигателя, увеличиваются надежность и моторесурс. Предложенная конструкция роторной машины является перспективной для транспортных и аварийно-спасательных систем в связи с резко уменьшенными массогабаритными характеристиками (в 5-10 раз) по сравнению с поршневыми традиционными двигателями в металлическом исполнении.

Примером предложенной конструкции двигателя внутреннего сгорания является опытный роторный двигатель марки РПД-4-с диаметром цилиндра 150 мм, диаметром ротора 120 мм, установленный с эксцентриситетом 12 мм с четырьмя лопастями, выполненными из углерод-углеродного композита.

Использование: для повышения экономичности, компактности, долговечности и упрощения конструкции роторных ДВС для объектов энергомашиностроения, тепловозов, судов, тракторов и автомобилей. Сущность изобретения: в корпусе эксцентрично установлен ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти. Ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, а лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции. Внутренние поверхности деталей двигателя покрыты слоем карбида кремния. Все это позволяет двигателю работать эффективно без принудительного охлаждения и жидкой смазки. Наличие в теле ротора между пазами камер сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений позволяет организовать эффективное сгорание топлива за счет вихревого движения заряда и снизить потери при переносе массы газа вращающимся ротором. 1 з. п. ф-лы, 12 ил.

1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками, эксцентрично установленный в корпусе ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти, а также системы топливоподачи и газообмена, отличающийся тем, что ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность ротора, внутренняя поверхность корпуса и боковые поверхности пластин дополнительно покрыты слоем карбида кремния.