РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ГРЕХОВА А.Н. Российский патент 1995 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания.

Известны РДВС (роторные двигатели внутреннего сгорания), содержащие статор с цилиндрической полостью, в которой через равные между собой центральные углы и с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлены разделительные пластины, постоянно контактирующие с ротором, который установлен соосно в цилиндрической полости статора, причем ротор выполнен с выступами и впадинами между ними. Одни выступы имеют впускные и выпускные каналы с окнами, расположенными по разные стороны вершины выступа, которые являются газораспределительными, а другие, чередующиеся с этими, без каналов рабочими.

Эти РДВС конструктивно достаточно просты, обладают невысокой удельной массой, но до настоящего времени не нашли широкого применения, так как находятся еще на ранней стадии своего развития и требуется значительное их совершенствование.

Известен РДВС (патент США N 3244157, кл. 123 8.45, опубл. 1966) с одной парой выступов ротора. Рабочий выступ ротора у него выполнен со значительным объемом, относительно объема каждой рабочей камеры, заключенной между смежными пластинами, т.е. с таким профилем выступа ротора, при котором объем рабочей камеры вытесняется выступом без непосредственного контакта между вершиной выступа и цилиндрической поверхностью полости статора, а газораспределительный выступ ротора имеет незначительный объем относительно объема каждой рабочей камеры, причем перемычка между впускным и выпускным окнами на газораспределительном выступе ротора у этого РДВС в несколько раз меньше углового шага расположения разделительных пластин. Вытеснение объемов рабочих камер при газообмене у этого РДВС осуществляется газораспределительным выступом путем разделения каждой рабочей камеры на две части переменного объема только при непосредственном контакте вершины этого выступа с цилиндрической поверхностью полости статора. Непосредственный контакт между вершиной газораспределительного выступа ротора и цилиндрической поверхностью полости статора практически осуществить невозможно, так как между ними необходим, по крайней мере, тепловой зазор. При этом отработавшие газы практически на протяжении всего такта впуска через зазор (тепловой) между вершиной газораспределительного выступа и цилиндрической поверхностью полости статора из уменьшающейся в объеме части рабочей камеры поступают в увеличивающуюся в объеме часть рабочей камеры, что приводит к резкому снижению удельной мощности двигателя, причем, по мере износа ротора этот зазор относительно быстро увеличивается, а даже при незначительном увеличении этого зазора рассматриваемый РДВС выходит из строя.

Этот недостаток устранен в известном РДВС (патент США N 4009690, кл. 02 В 53/00, 1977) за счет того, что вершина газораспределительного выступа у него выполнена в поперечном сечении ротора с дугой, равной центральному углу между пластинами, а перемычка между впускным и выпускным окнами большей этого угла.

Благодаря тому, что вершина газораспределительного выступа выполнена с дугой, равной центральному углу между разделительными пластинами, этот выступ ротора способен вытеснить практически весь объем каждой рабочей камеры без контакта своей вершиной с цилиндрической поверхностью полости статора. Благодаря тому, что перемычка между впускным и выпускным окнами выполнена большей центрального угла между разделительными пластинами, эти пластины поочередно уплотняют зазор между вершиной газораспределительного выступа и цилиндрической поверхностью полости статора, разделяя при этом впускное и выпускное окна. В результате этого при газообмене обеспечивается достаточно высокая герметичность рабочих камер. При этом увеличивается удельная мощность двигателя и резко повышается его долговечность.

В то же время превышение перемычкой центрального угла между разделительными пластинами приводит к сокращению рабочего объема.

Так как у этого РДВС вершина газораспределительного выступа по дуге в поперечном сечении не превышает центрального угла между разделительными пластинами, а перемычка между впускным и выпускным окнами, совмещенная с вершиной рассматриваемого выступа, больше центрального угла между пластинами, то при этом происходит запирание рабочего тела (иногда и топлива в жидком виде, которое не всегда в достаточной мере распыляется и полностью сгорает) между вершиной газораспределительного выступа и разделительными пластинами. При этом после прохождения задней кромки выпускного окна через линию касания ротора с разделительной пластиной образуется замкнутый объем, из которого по мере вращения ротора необходимо вытеснить рабочее тело, а после прохождения вершины газораспределительного выступа до момента прохода передней кромки впускного окна между вершиной выступа и разделительной пластиной образуется увеличивающийся замкнутый объем. В результате этого неоправданно затрудняется вращение ротора, а пластины при этом испытывают повышенную нагрузку, что приводит к сокращению срока службы этого РДВС.

Большим недостатком является то, что у этого РДВС слишком велико число пластин относительно числа выступов ротора. В результате чего профилированная поверхность ротора испытывает повышенный износ, что сокращает срок службы этого РДВС.

У этого РДВС вершина рабочего выступа выполнена с радиусом, проведенным из геометрического центра ротора, меньшим радиуса полости, где установлен ротор, и меньшим радиуса вершины газораспределительного выступа. При этом пространство (очень большой зазор), образованное между вершиной рабочего выступа и цилиндрической поверхностью полости статора выполняет функцию перепускного канала, по которому при такте сжатия перепускается рабочее тело, пропуская рабочий выступ через рабочую камеру, причем это пространство выполняет и функцию камеры сгорания. При этом сокращается рабочий объем двигателя.

В отличие от выше рассмотренных РДВС в известном РДВС (патент США N 4014298, кл. 02 В 53/00, опубл. 1977) все вершины выступов ротора выполнены с равными между собой радиусами, проведенными из геометрического центра ротора. РДВС содержит статор с цилиндрической полостью, закрытой боковыми крышками, в пазах которой с возможностью возвратно-поступательного перемещения с равномерным центральным углом установлены подпружиненные разделительные пластины, между которыми в теле статора в виде углублений на цилиндрической поверхности полости выполнены камеры сгорания Внутри цилиндрической полости статора с возможностью постоянного контакта с пластинами и боковыми крышками установлен центрально ротор с чередующимися между собой рабочими и газораспределительными выступами значительного объема относительно объема каждой рабочей камеры, заключенной между смежными разделительными пластинами.

Несмотря на то, что у этого РДВС все вершины выступов ротора выполнены с радиусами, проведенными из геометрического центра ротора, равными между собой, рабочий объем его слишком мал, так как одни вершины выступов ротора по дуге в поперечном сечении ротора превышают центральный угол между пластинами, а другие значительно меньше этого угла. При этом одни выступы ротора имеют недостаточный объем для вытеснения объема каждой рабочей камеры, а другие слишком большой, что сокращает объем впадин между ними.

Кроме того, угловой шаг между выступами ротора не равен удвоенному угловому шагу между пластинами, что резко сокращает рабочий объем этого РДВС.

Газораспределительная система у этого РДВС образована впускными и выпускными каналами, выполненными в газораспределительных выступах и боковых крышках статора, взаимодействующих как золотниковая система, которая слишком сложна и не способна в достаточной мере обеспечить газообмен в рабочих камерах, так как между торцами ротора и боковыми крышками статора необходим зазор (по крайней мере тепловой), через который впускные и выпускные окна, расположенные в торцах ротора и боковых крышек постоянно сообщаются между собой.

За счет взаимодействия пластин, как золотников, с впускными и выпускными окнами в выступах ротора у этого РДВС также невозможно в достаточной степени обеспечить газообмен в рабочих камерах. Во всех вариантах этого двигателя перемычка между впускными и выпускными окнами на вершинах газораспределительных выступов ротора меньше центрального угла между пластинами. Поэтому впускные и выпускные окна в пределах достаточно большого угла сообщаются между собой через (тепловой) зазор между вершиной выступа ротора и статорным кольцом. При этом часть отработавших газов остается в рабочей камере, препятствуя наполнению рабочей камеры свежим зарядом для следующего рабочего цикла. При этом удельная мощность этого двигателя снижается.

У всех вариантов этого двигателя перемычка между впускными и выпускными окнами на вершинах выступов ротора меньше не только центрального угла между разделительными пластинами, но и меньше дуги, в пределах которой выполнена камера сгорания. Поэтому впускные и выпускные окна в пределах достаточно большого угла сообщаются между собой не только через тепловой зазор между вершиной выступа ротора и статорным кольцом, но и через камеру сгорания. При этом большая часть отработавших газов остается в рабочей камере, препятствуя наполнению рабочей камеры свежим зарядом для следующего рабочего цикла. В результате этого удельная мощность этого двигателя невелика.

Камеры сгорания у этого двигателя меньше дуги между пластинами, при этом после прохождения передней кромки вершины выступа через камеру сгорания происходит запирание газов между вершинами выступов ротора и пластинами, что приводит к увеличению нагрузки на пластины и другие детали двигателя. В результате этого сокращается срок службы двигателя. При этом следует отметить, что разгрузочные проточки забиваются нагаром, а проточка снижает герметичность рабочих камер.

Запирание газов происходит и при движении выступа ротора к пластине, ограничивающей рабочую камеру.

В результате этого, как система газораспределения, так и конструкция этого РДВС ненадежна и недолговечна. Более того, работоспособность этого РДВС вызывает сомнение.

Ненадежность и недолговечность этого РДВС усугубляется и тем, что подпружиненные разделительные пластины приводятся в возвратно-поступательное движение непосредственно ротором при отсутствии системы смазки. При этом разделительные пластины в момент изменения направления движения в нижней точке (на дне впадины) и при движении в периферийную область статора испытывают чрезвычайно большую нагрузку, вплоть до заклинивания в пазах, а в момент изменения направления движения в периферийной области статора отрываются от вершин выступов ротора, нарушая при этом герметичность рабочих камер.

Цель изобретения значительное увеличение рабочего объема и повышение надежности и долговечности.

Цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, имеющем статор с боковыми крышками, камерами сгорания и цилиндрической полостью, в пазах которой с возможностью возвратно-поступательного перемещения и через равные между собой центральные углы установлены разделительные пластины, и соосно установленный с возможностью непрерыв- ного контакта с разделительными пластинами и боковыми крышками ротор с четным числом, чередующихся между собой, рабочих и газораспределительных выступов, причем, по разные стороны от вершины каждого газораспределительного выступа выполнены впускные и выпускные окна, а камеры сгорания расположены между каждыми двумя смежными пластинами в виде углублений на поверхности цилиндрической полости статора, каждая из которых ограничена смежными разделительными пластинами, выступы на роторе, расположенные с угловым шагом, равным удвоенному угловому шагу расположения пластин, угловое расстояние между смежными кромками впускного и выпускного окон каждого газораспределительного выступа, равное центральному углу между пластинами.

При этом, с целью повышения надежности и долговечности, двигатель снабжен кулачками, кинематически связанными с разделительными пластинами и соединенными с ротором, кулачки установлены в кольцевые масляные ванны, которые через полости рубашки в теле разделительных пластин сообщаются между собой.

Предложенный РДВС может быть выполнен с любым четным числом выступов ротора. Вариант РДВС с двумя выступами ротора является наиболее простым и потери энергии на преодоление сил трения между ротором и разделительными пластинами, а также другими деталями минимальны, относительно всех остальных вариантов предложенного РДВС. Но варианты предложенного РДВС с большим числом выступов ротора работают более плавно, их подшипники испытывают минимальную нагрузку.

На фиг.1 изображен РДВС с ротором, содержащим одну пару выступов, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг. 4 РДВС с ротором, содержащим две пары выступов, поперечный разрез; на фиг.5, 6, 7 и 8 показана работа РДВС.

РДВС содержит статор 1, соединенный с передней (боковой) крышкой 2 и задней (боковой) крышкой 3, в пазах 4 которых с угловым шагом β радиально установлены разделительные пластины 5. Разделительные пластины 5 контактируют с жестко соединенным с центральным валом 6 прилегающим к боковым крышкам 2 и 3 ротором 7, на котором выполнены выступы 8 и 9, расположенные диаметрально противоположно с угловым шагом γ=2 β. Вершины 10 и 11 выступов 8 и 9 выполнены с равными между собой радиусами r, проведенными из геометрического центра ротора 7. При этом каждый выступ 8 и 9 ротора 7 выполнен со значительным объемом относительно объема каждой рабочей камеры, т.е. с таким профилем, при котором вытесняется практически весь объем каждой рабочей камеры без контакта между вершинами 10 и 11 выступов 8 и 9 с цилиндрической поверхностью полости статора 1. Разделительные пластины 5 делят рабочую полость, образующуюся между статором 1, боковыми крышками 2 и 3 и ротором 7, на рабочие камеры 12. В пазах 13 разделительных пластин 5 установлены подпружиненные уплотнительные элементы 14, в статоре 1 подпружиненные уплотнительные элементы 15, в боковых крышках 2 и 3 подпружиненные уплотнительные элементы 16, в торцах ротора 7 подпружиненные уплотнительные элементы 17. Разделительные пластины 5 через толкатели 18 с роликами 19 связаны с соответствующими профилю ротора 7 кулачками 20, жестко соединенными в валом 6 и расположенными под крышками 21. С одной стороны вершины 10 газораспределительного выступа 8 выполнено впускное окно 22, а с другой стороны этой вершины выпускное окно 23, причем центральный угол σ, ограничивающий перемычку между впускным окном 22 и выпускным окном 23, совмещенную с вершиной 10, равен углу между разделительными пластинами 5, т. е. лучи центрального угла проходят через смежные границы контакта смежных разделительных пластин 5, на фиг.2 и 4 через смежные уплотнительные элементы 14 смежных разделительных пластин 5, с газораспределительным выступом 8 ротора 7. Следует иметь в виду, что не обязательно, чтобы угол σ равнялся угловому шагу расположения пластин 5 β, хотя и этот случай не исключен. Угол σ равен углу β только в том случае, если смежные уплотнительные элементы 14 смежных разделительных пластин 5 установлены на центральных осях разделительных пластин 5. Впускное окно 22 связывает рабочие камеры 12 с впускной кольцевой полостью 24, расположенной в роторе 7, а выпускное окно 23 связывает рабочие камеры 12 с выпускной кольцевой полостью 25, выполненной в боковой крышке 3. Впускная кольцевая полость 24 через окно 26 в боковой крышке 2 сообщается с карбюратором 27, а выпускная кольцевая полость 25 через окно 28 в боковой крышке 3 с выводной трубой 29. В цилиндрической полости статора 1 выполнены камеры сгорания 30 в виде углублений, ограниченных смежными разделительными пластинами 5. Каждая такая камера сгорания снабжена свечей зажигания 31 или форсункой при смесеобразовании в камерах сгорания 30.

Двигатель снабжен системой смазки, выполненной в виде двух сообщающихся между собой через каналы 33 в толкателях 18 и через полости (рубашки) 34 в разделительных пластинах 5 кольцевых масляных ванн 32, в которых размещен кулачковый механизм привода разделительных пластин 5 и подшипники вала 6. От полостей 34 в разделительных пластинах 5 выполнены капиллярные каналы 35, 36 и 37 к уплотнительным элементам 14, 15, 16 и 17.

Двигатель снабжен жидкостной системой охлаждения, состоящей из рубашки 38, выполненной в статоре 1 и боковых крышках 2 и 3, которая через каналы 39 и 40, расположенные в теле вала 6, сообщается с рубашкой 41, выполненной в роторе 7.

С целью упрощения чертежа радиаторы, насосы и фильтры систем смазки и охлаждения не показаны, так как во всем остальном эти системы аналогичны применяемым системам смазки и охлаждения в известных двигателях.

Предложенный РДВС работает следующим образом.

При повороте ротора 7 свежий заряд из карбюратора 27 через окно 26 в боковой крышке 2, кольцевую полость 24 и впускное окно 22 под действием разряжения в рабочих камерах 12 поочередно поступает в каждую рабочую камеру 12, затем в камеру сгорания 30. Одновременно с этим в рабочих камерах 12, находящихся в обратной последовательности относительно направления вращения ротора 7, происходят следующие такты: сжатие, рабочий ход и выпуск. Выпуск отработавших газов из рабочих камер 12 осуществляется через выпускное окно 23, кольцевую полость 25, окно 28 в боковой крышке 3 и выводную трубу 29. Эти циклы повторяются непрерывно. Число циклов за каждый оборот ротора 7 равно произведению числа пар выступов 8 и 9 ротора 7 на число рабочих камер 12.

Последовательность работы предложенного РДВС (с одной парой выступов) иллюстрируется на фиг. 5, 6, 7 и 8, его рабочие камеры отмечены в обратной последовательности относительно направления вращения ротора 7: К₁, К₂, К₃ и К₄.

На фиг.5: К₁ впуск; К₂ сжатие; К₃ раб.ход; К₄ выпуск.

На фиг.6: К₁ сжатие; К₂ раб.ход; К₃ выпуск; К₄ впуск.

На фиг.7: К₁ раб.ход; К₂ выпуск; К₃ впуск; К₄ сжатие.

На фиг.8: К₁ выпуск; К₂ впуск; К₃ сжатие; К₄ раб. ход.

Работа предложенного РДВС с образованием топливной смеси в камерах сгорания 30 отличается от работы рассмотренного варианта РДВС выше, только тем, что топливо подается непосредственно в камеры сгорания 30 через форсунки, установленные в место свечей зажигания 31, а воздух для образования горючей смеси поступает в рабочие камеры 12 и камеры сгорания 30 тем же путем, что и у варианта РДВС с карбюратором 27.

Другие варианты предложенного РДВС отличаются от рассмотренного выше тем, что выполнены они с большим числом пар выступов 8 и 9 ротора 7. Работают эти варианты более плавно относительно рассмотренного (фиг.1 и 2), подшипники вала испытывают минимальную нагрузку. Например, в РДВС, показанном на фиг.4, одноименные такты происходят одновременно диаметрально противоположно и при этом пробегают по всей окружности без пропусков, за каждый оборот ротора совершается шестнадцать рабочих циклов.

Учитывая, что газораспределительные выступы 8 ротора 7 у предложенного РДВС по профилю такие же, как и рабочие выступы 9, рабочий объем V_p предложенного РДВС можно определить по формуле
V_p= V ˙k ˙n=V˙ k ˙2k=2V˙ k², где V объем, вытесняемый из одной рабочей камеры одним выступом 8 или 9 ротора 7;
k число выступов 8 и 9 ротора 7;
n число пластин 5 или рабочих камер 12.

Благодаря выполнению всех выступов 8 и 9 ротора 7 с угловым шагом, равным удвоенному угловому шагу между разделительными пластинами 5 достигается наибольший рабочий объем РДВС, так как только при этом возможна наибольшая частота чередования двух экстремальных значений рабочего объема рабочих камер 12.

Кроме того, благодаря выполнению всех выступов 8 и 9 ротора 7 с угловым шагом, равным удвоенному угловому шагу расположения пластин 5, сокращается число пластин 5 относительно числа выступов 8 и 9 ротора 7, в результате чего упрощается конструкция РДВС и снижается износ профилированной поверхности ротора 7, а при этом увеличивается надежность и долговечность РДВС.

Следует иметь в виду, что в рассмотренном выше известном РДВС соотношение углового шага расположения выступов ротора к удвоенному угловому шагу между разделительными пластинами, в отличие от предложенного РДВС, является не оптимальным, так как газораспределительный выступ у него выполнен с незначительным объемом относительно каждой рабочей камеры и перемычка между впускным и выпускным окнами значительно (в несколько раз) меньше углового шага расположения разделительных пластин. Поэтому это соотношение в предложенном РДВС нельзя считать, как ранее известным.

Благодаря тому, что каждая камера сгорания 30 выполнена на всем протяжении дуги между смежными разделительными пластинами 5, обеспечивается свободное перемещение через камеры сгорания 30 (как через перепускные каналы) сжимающейся перед вершиной 11 каждого рабочего выступа 9 рабочего тела за вершину этого выступа, что дает возможность рабочим выступам 9 при минимальном (тепловом) зазоре между их вершинами 11 и цилиндрической поверхностью полости статора 1 проходить через все рабочие камеры 12 на протяжении полного оборота ротора 7, т.е. при таком выполнении камер сгорания 30 исключается запирание рабочего тела, а иногда и топлива в жидком виде (например, во время запуска РДВС при не воспламенении по каким-либо причинам горючей смеси) между вершинами всех выступов ротора 8 и 9 и пластинами 5. В результате этого увеличивается надежность и долговечность РДВС.

Благодаря тому, что угловое расстояние между смежными кромками впускного окна 22 и выпускного окна 23 каждого газораспределительного выступа 8 равно центральному углу σ между разделительными пластинами 5, упрощается конструкция РДВС и повышается надежность и долговечность РДВС при максимально возможном объеме каждой рабочей камере 12, так как при этом отпадает необходимость в дополнительной газораспределительной системе, образованной впускными и выпускными окнами в торцах ротора и в боковых крышках, взаимодействующих между собой.

Благодаря наличию кулачкового механизма привода разделительных пластин 5, эти пластины 5 работают при минимальной нагрузке от силы трения между ними и профилированной поверхностью ротора 7.

Изобретение относится к двигателестроению. Позволяет повысить объем, надежность и долговечность роторных двигателей внутреннего сгорания с центрально расположенным ротором. Сущность изобретения: двигатель содержит статор 1 с боковыми крышками 2 и 3, камерами сгорания и цилиндрической полостью, в пазах 4 которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения и через равные центральные углы β установлены разделительные пластины 5, и соосно установленный и контактирующий с разделительными пластинами 5 и боковыми крышками 2 и 3 ротор 7 с чередующимися между собой газораспределительными и рабочими двумя выступами, вершины которых выполнены с равными между собой радиусами, проведенными из геометрического центра ротора 7, причем между разделительными пластинами 5 образованы рабочие камеры. Выступы выполнены с угловым шагом g равным удвоенному угловому шагу расположения разделительных пластин 5. Как газораспределительные выступы, так и рабочие выступы ротора 7 выполнены со значительным объемом относительно объема каждой рабочей камеры. При этом каждым выступом ротора 7 обеспечивается практически полное вытеснение объема газа в каждой рабочей камере без контакта между вершинами выступов и цилиндрической поверхностью полости статора 1. По разные стороны вершины каждого газораспределительного выступа расположены впускные и выпускные окна, каждая перемычка между которыми совмещенная с вершинами, ограничена центральным углом s равным центральному углу между разделительными пластинами 5. При этом обеспечивается высокая герметичность рабочих камер независимо от величины зазора между вершинами выступов ротора 7 и цилиндрической поверхности полости статора 1. Кулачковый механизм (кулачки 20, ролики 19 и толкатели 18) привода разделительных пластин 5 и подшипники вала 6 расположены в двух масляных ваннах 32, сообщающихся между собой через полости 34 в разделительных пластинах 5. 1 з. п.ф-лы, 8 ил.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с боковыми крышками, камерами сгорания и цилиндрической полостью, в пазах которого с возможностью возвратно-поступательного движения и через равные между собой центральные углы установлены разделительные пластины, и соосно со статором установленный с возможностью непрерывного контакта с разделительными пластинами и боковыми крышками ротор с четным числом чередующихся между собой рабочих и газораспределительных выступов, причем по разные стороны от вершины каждого газораспределительного выступа выполнена впускные и выпускные окна, а камера сгорания расположены между каждыми двумя смежными пластинами и выполнены в виде углублений на поверхности цилиндрической полости статора, отличающийся тем, что каждая камера сгорания в окружном направлении ограничена смежными разделительными пластинами, выступы на роторе расположены с угловым шагом, равным удвоенному угловому шагу расположения разделительных пластин, а угловое расстояние между смежными кромками впускного и выпускного окон каждого газораспределительного выступа равно центральному углу между разделительными пластинами. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен кулачками, жестко соединенными с ротором и кинематически связанными с разделительными пластинами.