РОТОРНО-ПЛАСТИНЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям с профилированной рабочей камерой, и может найти применение в различных отраслях народного хозяйства.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с трохоидальной рабочей камерой, размещенный в нем вал с эксцентриком и установленный в эксцентрике трехгранный ротор-поршень.

Однако конструкции известных роторно-поршневых двигателей, использующие вал с эксцентриком и установленный на эксцентрике вала трехгранный ротор-поршень, недостаточно износостойки из-за вибрационных нагрузок на уплотнительные лопатки и не реализуют достаточно высокий КПД.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус с камерой сгорания и внутренней расточкой, профиль которой образован кривой, состоящей из левосторонней части улитки Паскаля, средняя, симметричная оси ординат, часть которой заменена окружностью, сопряженной в двух точках с конхоидой, ротор, выполненный с диаметральным пазом и с установленной в нем разделительной пластиной.

Недостаток двигателя с однокамерной конструкцией - существенная пульсация крутящего момента, снижающая износостойкость. К тому же в двигателях подобного типа расширение объема камеры сгорания происходит не пропорционально ходу поршня с большим темпом, чем у цилиндрических двигателей, что снижает надежность воспламенения топливно-воздушной смеси.

Цель изобретения - повышение износостойкости и надежности двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в роторно-пластинчатом двигателе внутреннего сгорания, содержащем полый корпус с камерой сгорания и внутренней расточкой, профиль которого образован кривой, состоящей из левосторонней части улитки Паскаля, средняя симметрична оси ординат, часть которой заменена окружностью, сопряженной в двух точках с улиткой Паскаля (конхоидой), образованной кривой с полюсом в центре сопряженной окружности. Длина образующего конхоиду отрезка равна длине отрезка, отсекаемого ветвями улитки Паскаля на прямой, проведенной через центр окружности перпендикулярно оси. Часть кругового профиля цилиндрического ротора с центром в полюсе конхоиды сопряжена с круговой частью профиля внутренней расточки корпуса, полость которого разделена поперечной стенкой с отверстием под ротор на двигательную и компрессионную камеры, на поверхностях которых имеются окна системы газораспределения, а в теле корпуса каналы, ротор, выполненный с диаметральными пазами и установленными в них разделительными пластинами-поршнями с уплотнительными элементами, выполненные на поверхности ротора проточки, число которых вдвое больше числа поршней, канал подвода смазки. Полость двигательной камеры разделена поперечными стенками на секции. В корпусе на цилиндрической поверхности двигательной камеры, сопряженной с ротором, выполнены предкамеры удлиненной формы с форсункой для впрыска топлива, с основной и дополнительной свечами, каналами впуска воздушного заряда и выброса пламени, выполнен ресивер с подводящим и отводящим каналами по числу двигательных камер. Каждая проточка ротора выполнена с возможностью периодического сообщения с соответствующим выходным каналом ресивера и каналом впуска соответствующей предкамеры. Канал выброса пламени соединен с камерой сгорания. Канал подвода смазки сообщен с зазором между сопряженными цилиндрическими поверхностями корпуса и ротора, размещенные в сквозных диаметральных пазах ротора разделительные пластины-поршни и проточки в двигательных секциях развернуты относительно соседних на угол, равный 180^о/n, где n - число секций.

Поставленная цель достигается также тем, что уплотнительные элементы размещены в торцевой части разделительных пластин-поршней в их сквозных продольных проточках, выполненных в форме соединенных между собой параллелепипеда и цилиндра. В цилиндрической части проточки установлены серповидные пружины с возможностью поворота и контакта ее выпуклой стороны с пакетом уплотнительных элементов, установленных с возможностью контакта с поверхностью расточки корпуса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых конструкций: выполненных на одном роторе двигательных камер и одной компрессионной с ресивером, предкамеры удлиненной формы с форсункой для впрыска топлива, с основной и дополнительной свечами, каналов впуска и выброса пламени, уплотнительных элементов, размещенных в торцовых частях разделительных пластин в их продольных проточках, и серповидной пружины. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг. 2 - компрессионная камера, поперечный разрез; на фиг. 3 - двигательная камера, поперечный разрез; на фиг. 4 - иллюстрация метода построения профиля внутренней расточки корпуса; на фиг. 5 - размещение пазов и проточек для двух двигательных камер.

Двигатель содержит корпус 1 с профилированной внутренней расточкой 2, ротор 3, в сквозных диаметральных пазах которого размещены разделительные пластины 4, ресивер 5, связанный с компрессионной камерой подводящим каналом 6 нагнетания с обратным клапаном 7, канал 8 забора воздуха, отводящий канал 9 ресивера 5, канал впуска 10 предкамеры сгорания 11, соединенной каналом 12 выброса пламени с основной камерой сгорания 13, канал 14 отвода отработанных газов, форсунку 15 для впрыска топлива, основную свечу 16 зажигания и дополнительную свечу 17, пакеты 18 уплотнительных элементов, диаметрально расположенные на поверхности ротора 3 проточки 19, цилиндрическую расточку корпуса 20 между точками а и а', канал отвода смазки 21, продольные проточки 22 в торцовой части разделительных пластин 4, выполненные в форме соединенных между собой параллелепипеда 23 и цилиндра 24 с установленной в нем серповидной пружиной 25.

Для удовлетворения требованию сопряжения цилиндрической части внутренней расточки 2 корпуса 1 (на фиг. 4 ей соответствует часть профиля А-А', являющаяся дугой окружности) с той частью расточки 2, профиль которой описывается конхоидой, необходимо осуществить соприкосновение второго порядка двух кривых с полюсом в точке 0.

Как известно, такое соприкосновение вполне определено радиусом кривизны R и центром кривизны.

Для кривой, заданной в полярной системе координат, т. е. для кривой r = f(ϕ), радиус кривизны:
R = . (1)
При этом центр кривизны 0, т. е. центр соприкасающейся окружности и совмещенный с ним центр профиля ротора 3, должен лежать на оси симметрии, т. е. на оси ОХ.

Ниже приводится вывод соотношения для определения величины радиуса кривизны R в точке соприкосновения
r = r (ϕ_o) с улиткой Паскаля
r = 2acos ϕ + b(b > 0), удовлетворяющего указанному выше требованию. Здесь а - радиус образующей окружности; b - длина образующего улитку отрезка.

tgμ = ;
tgα = tg(Ψ+μ) = = ;
Ψ= ϕ_o-90^o; tgΨ= -ctgϕ_o.

Из треугольника АОО имеем:
= , γ = π-α, sinγ = sinα.

Тогда
R = , (2)
i
После подстановки полученного выражения в (2) и соответствующих преобразований получим:

(3)
С другой стороны, радиус кривизны R должен удовлетворять соотношению (1). Приравняв (1) и (3), окончательно получим:
(a sin 2 ϕ_o + b sin ϕ_o)² (8a² + b² +
+ 6 a b cos ϕ_o)² [a² + b² + 2a b cos ϕ_o +
+ a sin 2 ϕ_o (3a sin ϕ_o + 2 b sin ϕ_o)] =
= (4a² + b² + 4 a b cos ϕ_o) (2a sin ² ϕ_o +
+ b sin ϕ_o)².

Задавшись углом ϕ_o и полагая b = а, где К > 0, получим после преобразований уравнение седьмой степени относительно К. При этом параметр а в результате преобразований сокращается, т. е. радиус а образующей улитку Паскаля окружности инвариантен относительно преобразований для определения радиуса кривизны R, удовлетворяющего указанным выше требованиям.

Уравнение имеет вид: А_оК⁷ + а₁К⁶ + А₂К⁵ + А₃К⁴ + А₄К³ + A₅K² + А₆К+А ≠ 0, где А_О = 2С - 4С³,
А₁ = 5 + 36C² - 76C⁴,
А₂ = 80С + 208С³ - 544 С⁵,
А₃ = 32 + 356C² + 416 С⁴ - 182C⁶,
А₄ = 416С + 1864 С³ - 1664С⁵ + 2976С⁷,
А₅ = 64 + 1472С² + 2896С⁴ - 5952С⁶ - -1728 С⁸,
А₆ = 256С + 1792 С³ - 5632С⁷,
А₇ = 256С² + 3072С⁴ - 4096С⁶, здесь С = cos ϕ_o = -sin ϕ_o.

После нахождения положительных действительных значений К определяется длина образующего отрезка при выбранном значении а (параметр а выбирается из требований, предъявляемых к мощности двигателя).

Затем строится улитка Паскаля r = 2acos ϕ + b с полюсом в точке 0, лежащим на пересечении образующей окружности (с радиусом а) с осью ОХ.

С использованием соотношения (1) определяется радиус кривизны Р, который откладывается на нормали, проведенной к улитке Паскаля в точке r(ϕ_o) (точка А на фиг. 4). В результате получен новый полюс 0, выбираемый за центр профиля ротора. Часть улитки Паскаля, расположенная между точками А и А', заменяется дугой окружности радиуса R. Строится конхоида полученной таким образом кривой с полюсом О' и образующим конхоиду отрезком, равным d = nn' (фиг. 4).

При построении конхоиды берется только часть образующей кривой, отсеченная от улитки Паскаля прямой nn', проведенной через полюс О', перпендикулярно оси ОХ.

При расчете профиля определяется оптимальное значение ϕ_o, при котором относительная площадь
F_отн ≠ , где F_к - площадь, охваченная профилем;
F_р - площадь сечения ротора была по возможности наибольшей , а развиваемый двигателем момент близок к постоянному значению.

Двигатель работает следующим образом.

На увлекаемую вращающимся ротором 3 разделительную пластину-поршень 4 действует возникающая в месте ее контакта с профилированной внутренней расточкой 2 радиальная составляющая контактного усилия, которая перемещает пластину 4 в сквозном радиальном пазу ротора 3.

Таким образом, пластина 4 совершает в сквозном пазу ротора 3 возвратно-поступательное движение, постоянно контактируя с внутренней расточкой 2 своими уплотнительными элементами 18, т. е. отслеживает ее профиль, поскольку, как следует из вышеизложенного, на всех лучах, пересекающих профиль и проходящих через его полюс О (центр профиля ротора 3), отсекаются отрезки равной длины.

В результате: в рабочем объеме компрессионной камеры при таком движении пластины 4 образуется зона всасывания за убегающей ее частью, начинающаяся от крайней линии соприкосновения цилиндрического ротора 3 с цилиндрической расточкой 2, и зона сжатия перед набегающей частью пластины 4, оканчивающаяся в окрестности подводящего канала 6 нагнетания (фиг. 2). В рабочем объеме двигательной секции образуется зона сгорания 13 (основная камера сгорания) и зона отработанных газов, которые через такт выталкиваются пластиной 4 через канал 14 отвода.

При этом за один оборот ротора 3 в одной двигательной секции совершается два рабочих цикла, так как каждый цикл повторяется при повороте разделительной пластины 4 на 180^о от исходного положения. Сам двигатель, состоящий из двигательных секций, размещенных в виде модульных конструкций на одном роторе, с развернутыми по секциям разделительными пластинами 4 одна относительно другой (соседней) на угол 180^о/n, совершает 2n рабочих циклов за один оборот ротора.

В результате сравнительно простыми средствами (набором модульных конструкций секций) достигается требуемая мощность двигателя и одновременно снижается пульсация крутящего момента.

При положении ротора 3, соответствующему началу такта, проточка 19 занимает позицию, при которой отводящий канал 9 ресивера 5 и канал впуска 10 предкамеры сгорания 11 соединяются и в предкамеру 11 поступает воздушный заряд. Зажигание осуществляется в зоне основной свечи 16.

При таком расположении канала впуска 10 (фиг. 3) в зоне свечи 16 организуются встречные потоки воздушного заряда и впрыскиваемого форсункой 15 топлива, турбулизирующие топливно-воздушную смесь, чем достигается ее однородность. Высокотемпературные газы из предкамеры 11 по каналу 12 выброса пламени перетекают в основную камеру сгорания 13, где и происходит их интенсивное сгорание.

Однако при увеличении нагрузки, когда зона свечи 16 при быстротечных процессах оказывается недостаточной для смещения топлива и воздушного заряда, надежность воспламенения топливно-воздушной смеси от основной свечи 16 снижается. В этом случае воспламенение осуществляется дополнительной свечой 17, установленной на выходе предкамеры сгорания 11 удлиненной формы, где топливно-воздушная смесь уже достаточно однородна.

Радиальное уплотнение, осуществленное в двигателе, работает следующим образом.

Под действием радиальных составляющих сил, возникающих между пакетом 18 уплотнительных элементов и поверхностью внутренней расточки 2, уплотнительные элементы перемещаются в проточке 23 и, воздействуя на серповидную пружину 25, поворачивают ее в цилиндрической проточке 24. Благодаря этому при вращении ротора 3 обеспечивается постоянный контакт всех уплотнительных элементов с поверхностью расточки 2. В результате снижаются потери рабочей среды и повышается износостойкость конструкции двигателя.

Ширина компрессионной камеры (соответственно величина ее рабочего объема) при заданных размерах ресивера определяется, исходя из расхода воздушного заряда определенного давления, необходимого для работы n двигательных секций.

Применение одной компрессионной камеры с ресивером позволяет осуществить работу двигательных секций при одинаковом давлении топливно-воздушной смеси, т. е. с одинаковой мощностью.

Применение ресивера позволяет также, в случае установки двигателя на автомобиле, осуществлять рекуперацию давления во время работы на спуске при отключенных двигательных секциях. Поэтому ресивер может быть использован в качестве дополнительного стартера к основному, выполненному менее мощным, чем применяемые. К тому же можно достичь экономии топлива как осуществлением обогащенности смеси посредством регулирования подачи топлива через форсунку 15, так и отключением определенного количества двигательных секций при облегченных режимах работы двигателя.

Использование: в машиностроении, в частности в устройствах роторно-пластинчатого двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель содержит ротор с пластиной-поршнем и профилированную рабочую камеру. В роторе выполнены двигательные секции и одна компрессорная камера с ресивером, выходной канал которого оканчивается в цилиндрической части внутренней расточки корпуса, сопрягающейся с ротором. Пластины-поршни двигательных секций развернуты одна относительно другой на 180. В каждой двигательной секции выполнены предкамеры сгорания удлиненной формы с форсункой для впрыска топлива, с основной и дополнительной свечами зажигания. Посредством проточек, выполненных на роторе, канал впуска предкамеры периодически соединяется с соответствующим выходным каналом ресивера. В торцовых частях пластин-поршней выполнены сквозные продольные проточки в форме соединенных между собой параллелепипеда и цилиндра, в которых размещены пакеты уплотнительных элементов и серповидные пружины с возможностью поворота и контакта выпуклой стороной с пакетами уплотнительных элементов. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. РОТОРНО-ПЛАСТИНЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий полый корпус с камерой сгорания и внутренней расточкой, профиль которой образован кривой, состоящей из левосторонней части улитки Паскаля(конхоиды), средняя симметричная относительно оси ординат часть которой заменена окружностью, сопряженной в двух точках с улиткой Паскаля(конхоидой), образованной кривой с полюсом в центре сопряженной окружности, причем длина образующего конхоиду отрезка равна длине отрезка, отсекаемого ветвями улитки Паскаля на прямой, проведенной через центр окружности перпендикулярно упомянутой оси, при этом часть кругового профиля цилиндрического ротора с центром в полюсе конхоиды сопряжена с круговой частью профиля внутренней расточки корпуса, полость которого разделена поперечной стенкой с отверстием под ротор на двигательную и компрессионную камеры, на поверхностях которых имеются окна системы газораспределения, в теле их корпуса - каналы, а ротор выполнен с диаметральными пазами и установленными в них разделительными пластинами-поршнями с уплотнительными элементами и проточками, число которых в роторе соответствует числу поршней, и канал подвода смазки, отличающийся тем, что полость двигательной камеры разделена поперечными стенками на секции, в корпусе на цилиндрической поверхности каждой двигательной секции, сопряженной с ротором, выполнены предкамеры удлиненной формы с форсункой для впрыска топлива, основной и дополнительной свечами, каналами впуска и выброса пламени, ресивер с подводящим и отводящими каналами по числу двигательных камер, причем каждая проточка ротора выполнена с возможностью периодического сообщения с соответствующим выходным каналом ресивера и каналом впуска соответствующей предкамеры, канал выброса пламени - с камерой сгорания, при этом канал подвода смазки сообщен с зазором между сопряженными цилиндрическими поверхностями корпуса и ротора, а размещенные в сквозных диаметральных пазах ротора разделительные пластины-поршни и проточки в двигательных секциях развернуты относительно поршня компрессионной камеры на угол 180^o n, где n - число секций. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительные элементы размещены в торцевой части разделительных пластин-поршней в их сквозных продольных проточках, выполненных в форме соединенных между собой параллелепипеда и цилиндра, и выполнены в виде серповидной пружины, установленной в цилиндрической части проточки с возможностью поворота и контакта ее выпуклой стороны с пакетом уплотнительных элементов, установленных с возможностью контакта с поверхностью расточки корпуса.