РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), предназначенным для преобразования тепловой энергии, полученной при сгорании в них топлива, в механическую работу.

Известен роторно-поршневой ДВС Ванкеля (Бениович В.С. и др. Роторно-поршневые двигатели. М. Машиностроение, 1968, с. 13-26), который состоит из корпуса с эпитрохоидной полостью, образующей совместно с плоскими поверхностями двух боковых корпусов рабочее пространство, в котором движется ротор-поршень. Ротор имеет форму треугольника с дугообразными сторонами. Движением ротора управляет планетарный механизм, состоящий из шестерни внутреннего зацепления, расположенной на одном из торцов ротора; находящейся с ней постоянно в зацеплении неподвижной шестерни, закрепленной в боковом корпусе двигателя, и эксцентрикового вала, ось которого совпадает с осью неподвижной шестерни и на эксцентрике которого расположен ротор. Отношение чисел зубьев шестерни ротора и неподвижной шестерни равно 3:2, поэтому ротор вращается в 3 раза медленнее эксцентрикового вала, с которого снимается мощность.

При вращении эксцентрикового вала ротор совершает планетарное движение, т. е. вращается вместе с валом, одновременно (вследствие обкатывания его шестерней неподвижной шестерни) вращается вокруг своей оси на подшипнике эксцентрика. При движении ротора все три его вершины постоянно касаются эпитрохоидной поверхности корпуса, образуя три отдельных друг от друга серповидные камеры, претерпевающие периодические, смещенные на 120^o по фазе, изменения объема. В этом двигателе один рабочий ход приходится на три оборота вала двигателя. Смазывание двигателя происходит под давлением, создаваемым шестеренным насосом. Масло направляется через фильтр в полость эксцентрикового вала, откуда через сверления попадает в подшипник. Через форсунки масло направляется на внутренние поверхности ротора для его охлаждения. Из подшипников и из ротора масло сливается в поддон, откуда через заборник забирается масляным насосом.

Рабочие поверхности корпуса (зеркало) и ротора имеют сложную форму, поэтому трудоемки при изготовлении. Ротор двигателя имеет сложную систему охлаждения.

Также известен роторно-поршневой ДВС (авт. св. СССР N 1815363, кл. F 02 B 53/00, Бюл. N 18, 1993), содержащий полый цилиндрический корпус, ротор с поршнями, разделители, установленные в полости корпуса с образованием изменяемых рабочих объемов впуска-сжатия и расширения-выпуска, и камеру сгорания с впускным и выпускным тарельчатыми клапанами с направляющими втулками, выполненными в корпусе за пределами изменяемых объемов. Для охлаждения двигателя применено устройство подачи охлаждающей жидкости, которое выполнено во впускном клапане в виде полости в штоке, сообщенной с распылителем и радиальными отверстиями, причем одно из отверстий расположено в верхней части штока клапана с возможностью периодического сообщения с трубопроводом подачи охлаждающей жидкости через кольцевую канавку, другие в средней части штока клапана с возможностью периодического сообщения с камерой сгорания или последующего их перекрытия втулкой клапана, а распылитель с возможностью сообщения с изменяемым объемом расширения-выпуска.

Недостатками этого двигателя является то, что в нем происходит один рабочий ход за один оборот вала, он имеет сложную конструкцию ротора и системы охлаждения.

Цель изобретения упрощение конструкции двигателя за счет упрощения конструкции ротора и системы его охлаждения, а также увеличение мощности двигателя на единицу веса за счет увеличения числа рабочих ходов до четырех за два оборота вала.

Цель достигается тем, что двигатель содержит корпус с цилиндрической рабочей полостью, ротор с четырьмя поршнями, установленный в полости корпуса с возможностью вращения и не соосно оси полости, торцовые крышки корпуса с подшипниками для вала ротора, который является валом двигателя, пару впускных и пару выпускных клапанов, свечу зажигания или форсунку и два клапана для охлаждающей и смазывающей жидкости (масла).

Ротор выполнен в виде монолитного, прямого цилиндра. Внутри ротора выполнен сквозной канал вдоль его оси, а по радиусам четыре щели под углами к соседним щелям 90^o насквозь до канала ротора. Клапаны для охлаждающей и смазывающей жидкости через каналы и канавки подшипников соединены с осевым каналом ротора.

Поршни выполнены в виде свободных концов прямоугольных пластин, которые размещены в щелях ротора с минимальными зазорами и возможностью перемещения. Длина пластин (размер вдоль радиуса ротора) не меньше глубины щелей, но и не больше радиуса рабочей полости корпуса. Ширина пластин равна длине ротора, а их толщина не менее ширины впускных и выпускных окон, длина которых меньше ширины пластин. Угловое положение впускных и выпускных окон на корпусе составляет 90^o по отношению к соседним окнам. Впускные и выпускные окна расположены на корпусе попарно.

Отличительными признаками изобретения являются: третий и четвертый поршень, два клапана для охлаждающей и смазывающей жидкости, форма выполнения ротора, форма выполнения поршней и их расположение на роторе, впускающие и выпускающие клапаны и несоосное расположение ротора в рабочей полости корпуса.

На фиг. 1 представлена схема корпуса двигателя, лежащего в плоскости, в которой расположены впускные и выпускные клапаны, поперечное сечение; на фиг. 2 продольное сечение корпуса по линиям А-В-С на фиг.1; на фиг.3 диаграммы газораспределения относительно распределительного вала, цифрами обозначены номера впускных и выпускных клапанов по ходу вращения вала; на фиг. 4-7 диаграммы фаз газораспределения в первом, втором, третьем и четвертом цилиндрах за рабочий цикл двигателя (два оборота вала) (номера цилиндров указаны на торцах ротора фиг.1); на фиг.8 и 9 профили кулачков распределительного вала для первого и второго впускных клапанов; на фиг.10 и 11 профили кулачков распределительного вала для первого и второго выпускных клапанов; на фиг.12 профиль кулачков системы зажигания двигателя, обеспечивающих зажигание в конце такта сжатия в каждом из четырех цилиндров.

На чертежах введены обозначения: 1 корпус двигателя; 2 цилиндрическая рабочая полость корпуса; 3 торцовая крышка корпуса; 4 подшипник вала двигателя; 5 вал двигателя; 6, 7 первое и второе впускные окна; 8, 9 - первое и второе выпускные окна; 10 отверстие для свечи зажигания или форсунки; 11 свеча зажигания или форсунка; 12 ротор; 13 поршни; 14 - канал ротора для охлаждающей и смазывающей жидкости; 15 кольцевая канавка подшипника; 16 отверстие подшипника; 17 клапан охлаждающей и смазывающей жидкости; 18 распределительный кулачковый вал; 19, 20 шестерни привода распределительного вала с числом зубьев 2:1; 21 толкатели; 22, 23 первый и второй впускные клапаны; 24, 25 выпускные клапаны; 26, 27 коромысла.

Все детали и узлы двигателя выполняются из металла. Корпус 1 двигателя выполняется из чугуна или алюминиевого сплава.

Рабочая полость 2 может быть выполнена из чугуна или стали.

Торцовые крышки 3 корпуса могут быть выполнены из чугуна или алюминиевого сплава.

Подшипники могут быть выполнены из стали или чугуна.

Вал 5 двигателя может быть выполнен из чугуна или стали.

Свеча или форсунка 11 выпускаются промышленностью.

Ротор 12 выполняется из чугуна или стали.

Поршни 13 изготавливаются из серого чугуна или стали.

Клапаны 17 могут быть выполнены шариковыми.

Распределительный вал 18 может быть выполнен из стали.

Шестерни 19 и 20 выполняются из металла.

Толкатели 21 выполняются из металла.

Клапаны 22-25 выполняются из жаропрочной стали.

Коромысла 26 и 27 выполняются из стали.

Описание роторно-поршневого ДВС в статике.

Конструкция двигателя содержит корпус 1 двигателя, ротор 12 с поршнями 13, механизм газораспределения, системы питания, зажигания (для карбюраторного ДВС), смазочную жидкость, систему охлаждения ротора и корпуса.

Корпус 1 двигателя служит для установки и крепления всех механизмов и сборочных единиц. В корпусе выполнена цилиндрическая рабочая полость 2. К деталям корпуса относятся торцовые крышки 3 корпуса с подшипниками 4 для вала 5 двигателя. В корпусе выполнены пара впускных 6 и 7 и пара выпускных 8 и 9 окон и отверстие 10 в камеру сгорания для свечи зажигания или форсунки 11. Окна выполнены в виде щелей, параллельных оси рабочей полости. Угловое расстояние между соседними окнами 90^o. Отверстие для свечи зажигания (форсунки) выполнено между парой впускного и выпускного окон со стороны камеры сгорания.

Ротор 12 с четырьмя поршнями 13 служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала ротора, который является валом двигателя. Ротор выполнен в виде монолитного, прямого цилиндра. Внутри ротора и вала выполнен сквозной канал 14 для охлаждающей и смазывающей жидкости (масла). В подшипниках 4 выполнены кольцевые канавки 15 и сквозные отверстия 16. Канавки 15 сообщаются с каналом 14. Сквозные отверстия 16 переходят в трубопроводы, к которым присоединены клапаны 17 для охлаждающей и смазывающей жидкости. Кроме того, в роторе параллельно его оси, по радиусам выполнены четыре прямоугольные щели под углами 90^o к соседней, насквозь до канала 14 ротора 12.

Поршни выполнены в виде свободных концов прямоугольных пластин, которые размещены в щелях ротора с минимальными зазорами и возможностью перемещения. Длина пластин (размер вдоль радиуса ротора) не меньше глубины щелей, но и не больше радиуса рабочей полости корпуса. Ширина пластин равна длине ротора, а их толщина не менее ширины впускных и выпускных окон, длина которых меньше ширины пластин.

Ротор размещен внутри рабочей полости корпуса на подшипниках торцовых крышек, так что оси ротора и рабочей полости параллельны и не совмещены, с возможностью вращения. Ось ротора смещена в направлении камеры сгорания на расстояние меньше разницы радиусов рабочей полости и ротора. Поршни, торцы ротора и пластин с минимальными зазорами прилегают к внутренней поверхности рабочей полости корпуса и образуют четыре рабочих цилиндра, каждый из которых ограничен частью поверхности ротора, между парой поршней (пластин), поверхностью поршней и частью поверхности рабочей полости, ограниченной парой поршней. Минимально возможный объем каждого цилиндра образует камеру сгорания. Такой объем создается со стороны минимального зазора между цилиндрической поверхностью ротора и рабочей поверхностью полости корпуса, когда пара поршней находится на угловом расстоянии 45^o от плоскости, в которой лежат оси ротора и рабочей полости.

Механизм газораспределения осуществляет своевременный впуск в цилиндры горючей смеси или воздуха и выпуск наружу отработавших газов. Он состоит из распределительного кулачкового вала 18, шестерен 19 и 20 (соотношения числа их зубьев 2:1) для привода распределительного вала, толкателей 21, впускных 22 и 23 и выпускных 24 и 25 клапанов со штоками, коромысел 26 и 27 и пружин, удерживающих клапаны в закрытом состоянии.

Система питания служит для приготовления горючей смеси и подачи ее в цилиндры или подачи топлива в цилиндры и наполнения их воздухом (для дизеля).

Система зажигания карбюраторного двигателя предназначена для принудительного воспламенения рабочей смеси от электрической искры. У дизеля система зажигания отсутствует.

Смазочная система предназначена для подвода масла под давлением к трущимся поверхностям подвижных деталей для уменьшения трения между ними. В предложенном ДВС она совмещена с системой охлаждения ротора.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

Порядок смены четырех тактов в цилиндрах двигателя за 4 оборота вала приведен в таблице.

При запуске двигателя путем проворачивания его вала центробежные силы прижимают поршни к внутренней поверхности рабочей полости корпуса и тем самым создают четыре изолированных объема четыре цилиндра. При вращении вала слева направо (фиг. 1) правые клапаны 22 и 23 являются впускными, а левые клапаны 24 и 25 выпускными.

При первом полуобороте вала первый впускной клапан 22 открыт от 0 до 180^o, а второй 23 открыт от 90 до 180^o поворота вала.

В первом цилиндре происходит полный впуск, а во втором только половина.

При втором полуобороте вала клапан 22 продолжает быть открытым до 360^o, клапан 23 остается открытым также до 360^o. В это время в первом цилиндре начинается и заканчивается сжатие рабочей смеси (180-360^o). Во втором цилиндре заканчивается впуск и начинается сжатие. В третьем цилиндре начинается и заканчивается впуск. В четвертом цилиндре начинается впуск.

При третьем полуобороте вала все клапаны закрыты. В первом цилиндре, рабочая смесь в котором была воспламенена в конце такта сжатия, происходит полный рабочий ход. Во втором цилиндре происходит половина рабочего хода. В третьем цилиндре закончилось сжатие и произошло воспламенение рабочей смеси. В четвертом цилиндре началось сжатие рабочей смеси.

При четвертом полуобороте вала открываются выпускные клапаны: первый 24 от угла 540^o до 720^o, а второй 25 от угла 630^o до 720^o. В первом цилиндре начинается и заканчивается выпуск. Во втором начинается выпуск. В третьем начинается и заканчивается рабочий ход. В четвертом - начинается рабочий ход.

При пятом полуобороте вала открываются впускные клапаны: 22 от 720 до 900^o, а клапан 23 от 810 до 900^o. Остаются открытыми впускные клапаны: 24 от 720 до 900^o, а клапан 25 от 720 до 900^o. В первом цилиндре начинается и заканчивается впуск. Во втором заканчивается выпуск и начинается впуск. В третьем цилиндре начинается и заканчивается выпуск. В четвертом заканчивается рабочий ход и начинается выпуск.

При шестом полуобороте вала остаются открытыми впускные клапаны 22 и 23 (900-1080^o). Второй выпускной клапан 25 остается открытым от 900 до 990^o. Первый выпускной закрыт. В первом цилиндре начинается и заканчивается сжатие и воспламенение рабочей смеси. Во втором заканчивается впуск и начинается сжатие. В третьем цилиндре начинается и заканчивается впуск. В четвертом заканчивается выпуск и начинается впуск (таблица).

Из таблицы видно, что за 1,25 оборота вала совершаются четыре рабочих хода (начало 360^o, а конец 810^o). Каждый цилиндр работает самостоятельно по четырехтактному циклу.

Система охлаждения и смазки ротора работает следующим образом. При вращении ротора центробежные силы прижимают поршни к поверхности рабочей полости корпуса, при этом пластины непрерывно перемещаются в прорезях ротора, изменяя объем его канала 14. Максимальный объем этого канала, когда в одном из цилиндров заканчивается такт сжатия (фиг.1, первый цилиндр). В других положениях ротора объем этого канала становится меньше. При увеличении объема канала срабатывает один из клапанов 17, работающий на впуск жидкости из трубопровода, при уменьшении этого объема срабатывает второй клапан 17, работающий на выпуск жидкости из канала. Таким образом прогоняется через ротор охлаждающая и смазывающая жидкости, охлаждая и смазывая его и пластины.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения. роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с цилиндрической рабочей полостью, цилиндрический ротор с четырьмя поршнями, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, оси корпуса и полости параллельны и разнесены, торцовые крышки корпуса с подшипниками для вала ротора, две пары впускных и выпускных клапанов и систему охлаждения ротора и поршней. Ротор выполнен в виде монолитного цилиндра с каналом на его оси, по его радиусам параллельно оси выполнены сквозные, до канала, четыре щели под углами 90^o к каждой соседней щели. Поршни выполнены в виде свободных концов прямоугольных пластин, которые с минимальными зазорами размещены в щелях ротора с возможностью перемещения. Поршни, торцы ротора и пластин с минимальными зазорами прилегают к внутренней поверхности рабочей полости корпуса. Внутри вала и в подшипниках выполнены каналы для охлаждающей и смазывающей жидкости, которые с каналом ротора образуют сквозной канал, вход и выход которого подсоединены к выходу и входу системы охлаждения и смазки ротора и поршней. Такое выполнение двигателя обеспечивает четыре рабочих хода за два оборота вала, упрощает его конструкцию и увеличивает его мощность на единицу веса 1 з.п. ф-лы, 12 ил, 1 табл.

1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрической рабочей полостью, цилиндрический ротор с двумя поршнями, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, торцевые крышки корпуса с подшипниками вала ротора, впускной и выпускной клапаны и систему охлаждения ротора с поршнями, кроме того, в корпусе выполнены впускное и выпускное окна и сквозное в камеру сгорания отверстие для свечи зажигания или форсунки, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен дополнительными впускным и выпускным клапанами и парой поршней, кроме того, в корпусе дополнительно выполнены впускное и выпускное окна, ротор выполнен в виде монолитного, прямого цилиндра с каналом на его оси, по его радиусам, параллельно оси выполненные сквозные до канала четыре щели под углами 90^o к каждой соседней щели, поршни выполнены в виде свободных концов прямоугольных пластин, которые с минимальными зазорами размещены в щелях ротора с возможностью перемещения, причем оси рабочей полости и ротора параллельны и разнесены, поршни, торцы ротора и пластин с минимальными зазорами прилегают к внутренней поверхности рабочей полости корпуса, внутри вала и подшипниках выполнены каналы для охлаждающей и смазывающей жидкости, которые с каналом ротора образуют сквозной канал, вход и выход которого подсоединены к выходу и входу системы охлаждения и смазки ротора и поршней. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя клапанами для охлаждающей и смазывающей жидкости, причем выход системы охлаждения ротора и поршней подсоединен к входу одного клапана, к его выходу подсоединен вход сквозного канала, а к выходу канала подсоединен вход другого клапана.