РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к устройствам двигателей внутреннего сгорания (ДВС), более конкретно, к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания с тороидальными рабочими камерами.

Известен роторно-поршневой ДВС, имеющий корпус с двумя тороидальными рабочими камерами с установленными в них дисковыми запирающими клапанами, ротор с двумя поршнями и камеру сгорания, соединенную каналами золотникового устройства с рабочими камерами [1].

Наличие тороидальной рабочей камеры с дисковыми запирающими клапанами, ротора с поршнями и камеры сгорания, соединенной каналами с рабочей камерой, является отличительной особенностью этого ДВС, общей с предлагаемым изобретением. Недостатком ДВС является его малая удельная мощность. Один цикл работы выполняется в ДВС только за два оборота ротора, несмотря на наличие в двигателе двух рабочих камер.

Более высокую удельную мощность имеет роторно-поршневой ДВС [2]. ДВС имеет корпус с тороидальной рабочей камерой с окнами впуска и выпуска и двумя диаметрально расположенными запирающими клапанами, дисковый ротор с двумя лопатками (поршнями) и аккумулирующую камеру, связанную каналами золотникового устройства с рабочей камерой. Запирающие клапаны имеют синхронно вращающиеся с ротором диски-заслонки с окнами для пропускания поршней и делят рабочую камеру на две равные секции. Всасывание и сжатие горючей смеси происходят в первой половине рабочей камеры. Сжатая смесь передается в аккумулирующую камеру, откуда, после прохода поршня через клапан, поступает во вторую половину рабочей камеры, где происходит поджиг, расширение и выпуск отработанной смеси. Цикл работы такого ДВС, имеющего лишь одну рабочую камеру, выполняется за один оборот ротора. Поэтому его удельная мощность выше, чем у предыдущей конструкции двигателя.

Целью настоящего изобретения является дальнейшее повышение удельной мощности роторно-поршневого ДВС с тороидальной рабочей камерой.

Поставленная цель достигается тем, что в роторно-поршневой ДВС, содержащий корпус с тороидальной рабочей камерой с окнами впуска и выпуска, двумя диаметрально расположенными запирающими клапанами и свечой зажигания, дисковый ротор с двумя поршнями и аккумулирующую камеру, связанную каналами с рабочей камерой, введена вторая аккумулирующая камера, причем обе аккумулирующие камеры размещаются в теле ротора и каждая из них имеет заслонку и два канала, выходящих по разные стороны от прилегающего к камере поршня в полость рабочей камеры и перекрывающихся поочередно заслонкой, сдвигаемой толкателем при вращении ротора.

На фиг. 1 представлена схема устройства ДВС; на фиг. 2 и 3 - положение поршня в рабочей камере (поперечный и продольный разрезы); на фиг. 4 - вид сверху заслонки каналов аккумулирующей камеры с толкателем, перемещающимся по направляющей канавке при вращении ротора; на фиг. 5 - положение поршня и заслонки с толкателем на участке рабочего хода поршня; на фиг. 6 и 7 схематически изображена конструкция запирающего клапана; на фиг. 8 - вертушка механизма синхронного поворота дисков запирающих клапанов.

Двигатель (см. фиг. 1) содержит корпус 1 с тороидальной рабочей камерой 2, разделенной на две секции диаметрально расположенными запирающими клапанами 3 и 4. Первая секция рабочей камеры имеет окно впуска 5, а вторая - окно выпуска 6 и свечу зажигания 7. В рабочей камере находятся два поршня 8 и 9 ротора 10. Под поршнями в теле ротора установлены две аккумулирующие камеры 11 и 12, каждая из которых имеет два соединительных канала 13, 14 и 15, 16, выходящих в полость рабочей камеры по разные стороны от прилегающего к камере поршня, и подвижную заслонку 17, 18, поочередно перекрывающую каналы при вращении ротора. Заслонки перемещаются толкателями 19, движущимися по направляющей канавке 20 при вращении ротора (см. фиг. 4, 5).

Двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора 10 по часовой стрелке (см. фиг. 1) поршень 8 сжимает горючую смесь в объеме между поршнем и стенкой закрытого клапана 3. Сжимаемая смесь через открытый канал 13 передается в аккумулирующую камеру 11 и накапливается в ней. Одновременно происходит засасывание горючей смеси через окно впуска 5 в объем между поршнем 8 и стенкой второго закрытого клапана 4. При подходе поршня 8 к клапану 3 этот клапан открывается (одновременно происходит также открывание клапана 4 для прохода через него поршня 9). При открытом клапане 3 заслонка 17 перекрывает оба канала 13 и 14, связывающих аккумулирующую камеру 11 с рабочей камерой. После прохода поршня клапан 3 закрывается, заслонка 17 открывает канал 14, соединяющий объем между поршнем 8 и стенкой клапана 3 с аккумулирующей камерой 11, свеча 7, находящаяся в этом объеме, поджигает сжатую горючую смесь, выходящую из аккумулирующей камеры через канал 14 и начинается рабочий ход поршня (фаза расширения рабочего тела). Одновременно происходит выпуск отработанной смеси из объема между поршнем 8 и стенкой клапана 4 через окно выпуска 6. При подходе поршня 8 к клапану 4 клапан открывается, заслонка 17 снова перекрывает оба соединительных канала 13 и 14 аккумулирующей камеры, поршень проходит через клапан 4, клапан закрывается, заслонка 17 открывает канал 13, и процесс начинает повторяться. Такой же цикл работы за один оборот ротора, но со сдвигом во времени на 1/2 оборота, выполняется вторым поршнем 9 с аккумулирующей камерой 12.

В данной конструкции ДВС при одном обороте ротора выполняются два цикла работы (свеча 7 включается дважды в течение одного оборота ротора). Вследствие этого при одинаковых размерах рабочих камер и поршней мощность заявленной конструкции ДВС должна вдвое превышать мощность ДВС прототипа. Такой полезный эффект достигается благодаря применению в ДВС двух аккумулирующих камер, размещенных в теле ротора и работающих с сдвигом в циклах на 1/2 оборота ротора. Эта особенность конструкции ДВС удовлетворяет критерию новизны и является отличительным признаком данного изобретения.

В общем случае в ДВС данной конструкции ротор может иметь 2k поршней и 2k прилегающих к ним аккумулирующих камер (k - целое число). При этом тороидальная рабочая камера двигателя должна иметь 2k запирающих клапанов, разделяющих ее на отдельные отсеки, причем каждый отсек, расположенный между четным и нечетным клапанами (по ходу вращения ротора), должен иметь окно выпуска и свечу зажигания, а отсек, расположенный между нечетным и четным клапанами, - окно впуска. Каждая аккумулирующая камера имеет два канала, выходящие по обе стороны от прилегающего к ней поршня и перекрывающиеся поочередно заслонкой, перемещаемой толкателем при вращении ротора.

В ДВС такой конструкции за один оборот ротора в одной рабочей камере будет выполняться 2k циклов работы. При k≥2 это превышает число циклов, приходящихся на один оборот ротора в ДВС типа Ванкеля.

В предлагаемой конструкции ДВС свечи зажигания могут быть установлены не в рабочей камере, а в аккумулирующих камерах, по одной свече в каждой камере. При этом может быть достигнута более полная степень сгорания топлива, так как свеча может включаться сразу же после открывания канала, соединяющего аккумулирующую камеру с рабочей камерой.

Для повышения герметичности контакта с стенкой рабочей камеры поршни могут быть выполнены не в виде лопаток, как в прототипе, а в виде цилиндров 21 с уплотняющими кольцами 22 (см. фиг. 2 и 3). Цилиндры 21 поршней свободно надеваются на штоки ротора 23. Свободная посадка цилиндров обеспечивает хорошее прилегание поршней к стенкам камеры при вращении ротора.

С целью уменьшения габаритов и массы запирающие клапаны с непрерывным вращением дисковых заслонок, примененные в прототипе, могут быть заменены на клапаны с прерывистым вращением дисков. Запирающий клапан с прерывистым вращением дисковой заслонки (см. фиг. 6 и 7) состоит из корпуса 24, имеющего окна для соединения с рабочей камерой, и расположенного в корпусе вращающегося диска 25 с двумя диаметрально расположенными окнами 26 и 27 для пропускания поршней. Ось диска 28 кинематически связана с вертушкой 29 механизма поворота клапанов и поворачивается на 1/4 оборота при каждом зацеплении зуба вертушки за выступы 30 на ободе ротора (см. фиг. 8).

В клапанах с непрерывным вращением дисковых заслонок сопряжение с ротором может быть достигнуто только при одинаковых радиусах дисков и ротора. Это приводит к значительным размерам клапанов. Из патентных чертежей аналога и прототипа следует, что более четверти габаритного объема этих ДВС занимают их клапаны. В клапанах с прерывистым вращением дисковых заслонок этот недостаток устраняется, так как в этом случае радиусы дисков определяются не радиусом ротора, а радиусом поперечного сечения рабочей камеры ДВС. Если исходить из того, что уменьшение радиусов дисков в l раз приводит к уменьшению объема клапанов приблизительно в l² раз, то при l>3 очевиден значительный выигрыш в габаритах и массе клапанов, имеющих прерывистое вращение дисковых заслонок.

Роторно-поршневые ДВС с тороидальными рабочими камерами обладают более высоким КПД по сравнению с роторно-поршневыми ДВС типа Ванкеля, но уступают им в удельной мощности. В предложенной конструкции ДВС этот недостаток устраняется благодаря наличию в ДВС нескольких аккумулирующих камер, размещенных внутри ротора и имеющих автономные золотниковые устройства, а также благодаря применению в ДВС малогабаритных запирающих клапанов с прерывистым вращением дисковых заслонок и поршней с кольцевыми уплотнителями, обеспечивающими высокую степень сжатия.

Использование: машиностроение, а именно роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус 1 с тороидальной рабочей камерой 2, установленные в ней рабочий вал 3 с закрепленным на нем дисковым ротором 4, снабженным парой диаметрально расположенных на нем поршней 5, разделительные заслонки 6, установленные в корпусе 1 с возможностью периодического перекрытия рабочей камеры 2 и образования между поршнями 5 и заслонками 6 и 7 соответственно камер сжатия 8 и расширения 9 и снабженные приводом, связанным кинематически с рабочим валом 3, аккумулирующие камеры 10, снабженные входным 11 и выходным 12 каналами с установленными в них запорными органами, механизм управления, связанный с последними, впускные 13 и выпускные 14 окна газораспределения, выполненные соответственно в камерах сжатия 8 и расширения 9, и устройство для воспламенения заряда, причем аккумулирующие камеры 10 выполнены непосредственно в роторе 4, число заслонок 6 и 7 равно числу поршней 5, запорный орган каждой пары входного и выходного 12 каналов выполнены в виде плоского золотника 16 с отверстиями, механизм управления последним выполнен в виде замкнутой кулачковой направляющей 17, расположенной соосно с корпусом 1 и жестко с ним связанной, а привод заслонок 6 и 7 выполнен в виде цевочного механизма 18. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ внутреннего сгорания, содержащий корпус с тороидальной рабочей камерой, установленный в последней рабочий вал с закрепленным на ней дисковым ротором, снабженным по меньшей мере одной парой диаметрально расположенных на нем поршней с канавками, разделительные заслонки, установленные в корпусе с возможностью периодического перекрытия рабочей камеры и образования между поршнями и заслонками камер сжатия и расширения и снабженные приводом, связанным кинематически с рабочим валом, аккумулирующие камеры, снабженные входным и выходным каналами с установленными в них запорными органами, механизм управления, связанный с последними, впускные и выпускные окна газораспределения, выполненные соответственно в камерах сжатия и расширения, и устройство для воспламенения заряда со свечами зажигания, причем число аккумулирующих камер равно числу поршней, а входной и выходной каналы каждой аккумулирующей камеры расположены с разных сторон поршня с возможностью периодического и поочередного сообщения последней с камерами сжатия и расширения, отличающийся тем, что аккумулирующие камеры выполнены в роторе, число заслонок равно числу поршней, запорные органы каждой пары входного и выходного каналов выполнены в виде плоского золотника с отверстиями, механизм управления выполнен в виде замкнутой кулачковой направляющей, расположенной соосно с корпусом и жестко с ним связанной, а привод заслонок выполнен в виде цевочного механизма. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждой аккумулирующей камере размещена свеча зажигания. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор снабжен штоками, поршни выполнены в виде цилиндров с отверстиями, перпендикулярными к его оси и сопряженными со штоками, установлены на штоках свободно и снабжены кольцевыми уплотнителями, размещенными в канавках поршней.