РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к моторостроению и может быть использовано в технике, применяющей двигатели внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель Джеймса [1] который содержит две отделенные друг от друга поперечной перегородкой секции для впуска-сжатия и расширения-выпуска соответственно, соединяемые перепускным отверстием в корпусе, заключенные в них цилиндрические части ротора, жестко связанные общим валом, и рабочую полость в каждой секции, разделяемую на камеры переменного объема четырьмя поршнями с радиально закругленными верхними торцами, вставленными в соответствующие им радиальные пазы в роторе под углом 90^о друг к другу и способными выдвигаться из него под действием пружинного устройства поджатия, сопрягаясь со стенками рабочей полости.

Недостатком этого двигателя является то, что сжатие горючей смеси в объеме, ограниченном сектором четверти окружности ротора, а также рабочий ход в таком секторе требуют наличия в рабочих полостях короткого и глубокого участка с крутым расширением и сужением его верхней стенки, что требует большого усилия поджатия поршня пружинным устройством поджатия во избежание проскакивания его внешнего торца в зоне резкого расширения данного участка рабочей полости и значительно затрудняет обратное вдавливание сильно поджатого поршня при движении его в зоне резкого сужения этого участка рабочей полости, вызывая при этом воздействие на сильно выдвигаемый поршень больших поперечных ударных нагрузок, что уменьшает надежность и работоспособность двигателя.

Известен роторный двигатель Уайдла [2] который содержит по меньшей мере две отделенные в корпусе друг от друга поперечной перегородкой с перепускным каналом секции, служащие соответственно для впуска-сжатия и расширения-выпуска горючей смеси, и заключенные в них цилиндрические части ротора, имеющие возможность поверхностного контакта секторной части своей цилиндрической поверхности с корпусом и жестко связанные между собой общим валом, а также рабочую полость в каждой секции, разделяемую на камеры переменного объема поршнем с острым внешним торцом, установленным в радиальном пазу в цилиндрической части ротора и способным выдвигаться из него под действием пружинного устройства поджатия, сопрягаясь при этом со стенками своей рабочей полости, кроме того, в обеих цилиндрических частях ротора выполнены короткие дуговые полости, способные сообщаться между собой через перепускной канал в поперечной перегородке на время перепуска сжатой смеси между секциями.

Недостатками этого двигателя являются то, что конструкция рабочих полостей с довольно резким наклоном своих краев к сектору поверхностного контакта цилиндрической поверхности ротора с корпусом способствует проскакиванию поршней в начале рабочей полости и возникновению большой поперечной ударной нагрузки на поршень в конце рабочей полости, а также то, что острые внешние торцы поршней имеют низкую уплотняющую способность и способствуют быстрому износу сопрягаемых поверхностей, скос внешнего торца поршня в секции впуска-сжатия горючей смеси открывает всю свою площадь для воздействия давления сжимаемых газов, что требует установки пружины, соответствующей конечному давлению газов, приводящей к излишним потерям на трение и вдавливание поршней, кроме того, взаимное расположение рабочих полостей в секциях с совмещенными в одной радиальной плоскости их началами, а также их концами способствует удлинению системы перепускных каналов на протяженность сектора поверхностного контакта цилиндрической поверхности ротора с корпусом, ухудшая этим легкость перепуска сжатой смеси, и увеличивает отсекаемый объем сжатой до конечной степени горючей смеси.

В качестве прототипа выбран роторный двигатель [3] который содержит корпус с рабочей полостью, разделенный поперечной перегородкой на секцию впуска-сжатия и секцию расширения-выпуска, ротор, состоящий из двух цилиндрических частей, жестко связанных общим валом, каждая из которых заключена в соответствующую ей секцию с возможностью поверхностного контакта своих торцовых частей и секторной части цилиндрической поверхности с сопряженными с ними рабочими поверхностями полости, имеет радиальный паз, выполненный в одноплоскостном взаимно противоположном направлении относительно радиального паза в другой цилиндрической части ротора, с установленным в каждом из радиальных пазов поршнем с закругленным радиально внешним торцом, под действием пружинного устройства поджатия имеющим возможность радиального перемещения и разделения полостей в своих секциях на камеры переменного объема, служащие соответственно для впуска и сжатия в одной секции и расширения и выпуска в другой, с сообщенным с камерой сжатия в секции впуска-сжатия и с камерой расширения-выпуска перепускным каналом, выполненным в цилиндрической части ротора, с выполненными последовательно на каждой из боковых сторон поперечной перегородки дуговой канавкой и отверстием, соединяющим их, с возможностью совмещения каждой из дуговых канавок с перепускным каналом в цилиндрической части ротора на период перепуска сжатой смеси между секциями, кроме того, с предусмотренными в другом варианте исполнения двигателя двумя взаимно противоположно направленными поршнями в каждой секции, установленными в сквозном диаметральном пазу в цилиндрической части ротора и кинематически связанными между собой общим пружинным устройством поджатия.

К недостаткам данного двигателя относятся ненадежность системы перепуска сжатой горючей смеси между секциями вследствие того, что объем горючей смеси, сжатый до рабочей степени, запирается в системе полостей дуговых канавок в поперечной перегородке по окончании процесса перепуска и может подвергнуться воздействию прорвавшихся к нему газов воспламененной горючей смеси и высокой температуры при работе двигателя, уменьшение легкости перепуска сжатой смеси между секциями из-за большой протяженности общей системы перепускных каналов на половину окружности ротора, обусловленной взаимным расположением рабочих полостей в секциях и поршней, низкая надежность пружинной системы поджатия поршней с радиально закругленным внешним торцом, которая требует установки довольно сильной пружины, особенно в секции расширения-выпуска, что приводит к большим потерям на трение и обратное вдавливание поршней. Кроме того, в варианте двигателя с двумя противоположно направленными поршнями в каждой секции воспламененная горючая смесь продолжительный период остается в замкнутом объеме, что уменьшает надежность и работоспособность двигателя.

Це ль изобретения создание двигателя внутреннего сгорания с наиболее высоким КПД и экономичностью за счет продолжительного воздействия давления газов воспламененной горючей смеси, направленного только вдоль траектории вращения ротора, при сохранении возможности высокой степени сжатия горючей смеси, и имеющего более работоспособную и надежную конструкцию, чем у прототипа.

Цель достигается благодаря тому, что роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с полостью, разделенной поперечной перегородкой на секцию впуска-сжатия и секцию расширения-выпуска, которые сообщены между собой перепускным каналом, выполненным в поперечной перегородке, дуговые канавки, ротор с радиальными пазами и перепускными отверстиями, состоящий из двух жестко связанных между собой общим валом цилиндрических частей, размещенных в соответствующих секциях с возможностью поверхностного контакта своих торцовых частей и части своей цилиндрической поверхности с сопряженными с ними рабочими поверхностями секций полости, устройство поджатия, поршни с радиально закругленными внешними торцами, кинематически связанные с устройством поджатия и установленные в радиальных пазах ротора с возможностью их радиального перемещения и образования в полости камер переменного объема соответственно впуска, сжатия, расширения и выпуска с начальными и конечными участками, периодически сообщающимися между собой, имеет следующие конструктивные отличия: дуговые канавки расположены на роторе, рабочие поверхности секций полости развернуты одна относительно другой так, что конечный участок камеры сжатия секции впуска-сжатия, начальный участок камеры расширения секции расширения-выпуска и перепускной канал расположены в одной радиальной плоскости, ось перепускного канала пересекает ось двигателя, перепускной канал периодически связывает конечный участок камеры сжатия секции впуска-сжатия через соответствующую дуговую канавку и перепускное отверстие с начальным участком камеры расширения секции расширения-выпуска, соответствующий поршень секции расширения-выпуска размещен с угловым смещением в направлении вращения ротора относительно соответствующего поршня секции впуска-сжатия на угол дуги дуговой канавки. Ротор снабжен цилиндрическими глухими отверстиями, каждый поршень пружинами и цилиндрическими штоками, сопряженными с соответствующими цилиндрическими отверстиями ротора и установленными в них, устройство поджатия выполнено в виде полостей изменяемого объема, ограниченных поверхностями соответствующих радиальных пазов ротора, штоков и поршней и сообщенных через радиальные канавки в поршнях в секции впуска-сжатия с камерой сжатия, а в секции расширения-выпуска с камерой расширения.

На фиг. 1-3 изображен двигатель в момент перепуска сжатой горючей смеси из камеры сжатия в камеру расширения, причем сечения секции расширения-выпуска показано в зоне сопряжения поперечной перегородки между секциями с торцовой стенкой цилиндрической части ротора; на фиг. 4-6 двигатель в момент выполнения рабочего хода; фиг. 7 поясняет принцип действия устройства поджатия поршней. Внутри корпуса 1 двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1-3) заключен ротор 2, состоящий из двух жестко связанных между собой валом цилиндрических частей, вокруг которых расположены камеры 3, 4, переменного объема составляющие полость в секции впуска-сжатия, и камеры 5, 6 переменного объема, составляющие полость в секции расширения-выпуска. Обе секции герметично отделяются друг от друга поперечной перегородкой 7. Камеры переменного объема образованы герметичным разделением своих полостей сектором зоны поверхностного контакта цилиндрической поверхности части ротора с сопряженной с ней рабочей поверхностью полости 8 и поршнями 9 и 10, установленными в радиальных пазах соответствующих цилиндрических частей ротора с возможностью радиального перемещения и поджатия своим внешним радиально закругленным торцом к рабочей поверхности полости и скольжения по ней при повороте ротора с возможностью поверхностного контакта с сопрягаемыми боковыми стенками полости. В корпусе 1 имеются впускное отверстие 11 и выпускное отверстие 12 для всасывания горючей смеси и вытеснения отработанных газов соответственно. В поперечной перегородке 7 имеется выполненный под углом к оси двигателя перепускной канал 13. Перепускной канал 13 имеет начало в конечном участке камеры сжатия секции впуска-сжатия, а окончание в зоне поверхностного контакта поперечной перегородки 7 с сопряженной с ней торцовой поверхностью цилиндрической части ротора. При этом до начала перепуска сжатой смеси окончание перепускного канала является запертым. К началу процесса перепуска сжатой смеси окончание перепускного канала 13 совмещается с выполненной в торцовой поверхности цилиндрической части ротора дуговой канавкой 14 с перепускным отверстием, выходящим в камеру 5 переменного объема возле поршня 10. Окончание полости в секции впуска-сжатия, начальный участок полости в секции расширения-впуска и перепускной канал 13 расположены в одной радиальной плоскости. Поршень 10 размещен с угловым смещением относительно поршня 9 в сторону вращения ротора так, что конечная стадия сжатия горючей смеси в камере 4 соответствует моменту образования камеры 5 переменного объема, а длина дуговой канавки 14 соответствует положительности периода перепуска сжатой смеси из камеры 4 в камеру 5 и ограничена сектором угла между боковыми стенками поршней 9 и 10. Поршни 9 и 10 подпружинены через цилиндрические штоки 15, вставленные в сопряженные с ними цилиндрические отверстия в роторе. Кроме того, на боковой поверхности поршней 9 и 10 выполнены радиальные канавки 16, соединяющие соответственно камеры 4 и 5 переменного объема с полостями 17, образующимися под поршнями 9 и 10 при их выдвижении из тела ротора. Для воспламенения сжатой горючей смеси в двигателе имеется свеча зажигания или форсунка 18.

Описанный роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При вращении ротора 2 (фиг. 4-6) объем камеры 3 переменного объема увеличивается и в созданное разрежение через впускное отверстие 11 всасывается горючая смесь. После прохода поршнем сектора поверхностного контакта поверхностей ротора и полости 8 объем горючей смеси оказывается запертым в камере 4 переменного объема и начинает в ней сжиматься, а в камеру 3 переменного объема при этом всасывается новая порция горючей смеси. Сжатие горючей смеси в камере 4 переменного объема продолжается до тех пор, пока с окончанием перепускного канала 13 не совместиться дуговая канавка 14, и по образовавшейся системе полостей (фиг. 1-3) объем горючей смеси, сжатый до рабочей степени, начинает вытесняться из камеры 4 переменного объема, всасываясь при этом в камеру 5 переменного объема. С выходом дуговой канавки 14 из зоны контакта с перепускным каналом 13 сжатая горючая смесь в камере 5 переменного объема воспламеняется свечой 18 зажигания и воздействием расширяющихся воспламененных газов на поршень 10 ротору сообщается рабочий ход, при котором в камерах 3 и 4 переменного объема продолжаются процессы всасывания и сжатия горючей смеси. По окончании рабочего хода с проходом по инерции сектора поверхностного касания поверхностей ротора и полости 8 поршня 10 оставшиеся в полости отработанные газы оказываются в уменьшающейся камере 6 переменного объема, откуда полностью вытесняются через выпускное отверстие 12 с новым рабочим ходом ротора. При начальном выдвижении поршней 9 и 10 из соответствующих им радиальных пазов в роторе (фиг. 7) под действием пружин под цилиндрическими штоками 15 газы из соответствующих камер 4 и 5 переменного объема, в которых в соответствующих им секциях возникают наибольшие давления, по радиальным канавкам 16 в боковой части поршней поступают в образующиеся при этом полости 17 переменного объема под поршнями и воздействием своего давления на площадь внутреннего торца поршней 9 и 10 компенсируют давление газов на неприжатую площадь их верхнего радиально закругленного торца. Во избежание излишнего усилия поджатия поршней 9 и 10 часть площади их внутреннего торца отобрана площадью поперечного сечения цилиндрического штока 15 и оставшаяся площадь их внутреннего торца лишь немного превышает максимальную неприжатую площадь их внешнего радиально закругленного торца, возникающую при движении поршней 9 и 10 по зоне сужения рабочей полости.

Использование: в моторостроении, в технике, использующей двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель выполнен из двух секций, каждая из которых заключает в себе одну из двух цилиндрических частей ротора, соединенных общей осью, и содержит рабочую полость вокруг ротора, разделяемую на две камеры переменного объема зоной сопряжения окружности ротора и корпуса и поршнем, выдвигающимся из тела ротора и сопрягаемым со стенками рабочей полости. Камеры переменного объема в первой секции служат для всасывания и сжатия горючей смеси, а второй - для рабочего хода с вытеснением отработанных газов. В конце камеры сжатия имеется вход перепускного отверстия, выполненного в перегородке между секциями с наклоном в зоне сопряжения ее с боковой стенкой второй цилиндрической части ротора, имеющей здесь дугообразную канавку, сообщенную с камерой рабочего хода и выполненную с возможностью совмещения ее с выходом перепускного отверстия на период перепуска сжатой смеси. Окончание первой и начало второй рабочей полости совмещены по одной линии. Поршень во второй секции опережает поршень в первой секции по углу, определяющему конечный объем сжатой смеси к моменту ее воспламенения. Полость под поршнем в первой секции сообщена канавкой в нем с камерой сжатия, а во второй - камерой рабочего хода. Часть площади нижнего торца поршней отобрана присоединенным к нему подпружиненым штоком, сопряженным со своим отверстием в роторе. 7 ил.

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с полостью, разделенной поперечной перегородкой на секцию впуска-сжатия и секцию расширения-впуска, которые сообщены между собой перепускным каналом, выполненным в поперечной перегородке, дуговые канавки, ротор с радиальными пазами и перепускными отверстиями, состоящий из двух жестко связанных общим валом цилиндрических частей, размещенных в соответствующих им секциях с возможностью поверхностного контакта своих торцевых и части цилиндрических поверхностей с сопряженными с ними рабочими поверхностями секций полости, устройство поджатия, поршни с закругленными внешними торцами, кинематически связанные с устройством поджатия и установленные в радиальных пазах ротора с возможностью радиального перемещения и образования камер переменного объема соответственно для впуска, сжатия, расширения и выпуска с начальными и конечными участками, периодически сообщающихся между собой, отличающийся тем, что дуговые канавки расположены на роторе, рабочие поверхности секций полости развернуты одна относительно другой так, что конечный участок камеры сжатия в секции впуска-сжатия, начальный участок камеры расширения в секции расширения-выпуска и перепускной канал расположены в одной радиальной плоскости, ось перепускного канала пересекает ось двигателя, перепускной канал периодически связывает конечный участок камеры сжатия в секции впуска-сжатия через соответствующую дуговую канавку и перепускное отверстие с начальным участком камеры расширения в секции расширения-выпуска, соответствующий поршень секции расширения-выпуска размещен с угловым смещением в направлении вращения ротора относительно соответствующего поршня секции впуска-сжатия на угол дуги дуговой канавки, ротор снабжен цилиндрическими глухими отверстиями, каждый поршень - пружинами и цилиндрическими штоками, сопряженными с соответствующими цилиндрическими глухими отверстиями ротора и установленными в них, устройство поджатия выполнено в виде полостей изменяемого объема, ограниченных поверхностями соответствующих радиальных пазов ротора, штоков и поршней, сообщенных через радиальные канавки в поршнях в секции впуска-сжатия с камерой сжатия, а в секции расширения-выпуска - с камерой расширения.