РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КУЗНЕЦОВА Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Предлагаемое изобретение относится к области промышленного машиностроения, в частности, к двигателям внутреннего сгорания.

Известен 4-тактный двигатель внутреннего сгорания 1, который содержит цилиндр, поршень с уплотнительными кольцами, запальную свечу, шатунно-кривошипный механизм и маховик. Полный цикл совершается за два оборота маховика, за первый оборот выполняются два такта (всасывание и сжатие рабочей смеси) и за второй оборот два следующих такта (рабочий ход и выхлоп отработанных газов).

Известен 2-тактный двигатель внутреннего сгорания 2, который имеет устройство такое же, как и 1, но полный цикл совершается за один оборот маховика, что достигается за счет того, что рабочая смесь всасывается в картер двигателя, где подвергается предварительному сжатию, а затем перепускается в цилиндр двигателя.

Также известен двигатель внутреннего сгорания (дизель) 3, который имеет устройство такое же, как и два первых, но отличие заключается в том, что всасывается и сжимается воздух, а горючее под давлением подается в цилиндр в конце сжатия, после чего и происходит самовоспламенение смеси.

Известен двигатель Ванкеля 4, который принципиально отличается от всех предыдущих, так как не имеет поршня, цилиндра и шатунно-кривошипного механизма. Двигатель имеет поршень-ротор с тремя выступами, поршень-ротор под воздействием специального эксцентрика совершает эпициклическое движение. Во время работы двигателя в объемах, ограниченных внутренней поверхностью статора и каждой стороной поршня-ротора, происходят процессы по четырехтактному циклу. Энергия горения рабочей смеси передается непосредственно на обод маховика двигателя.

Известен "Ротационный двигатель" 5, заявка ФРГ N 2910304, кл. F 02 B 53/08, публикация 25.09.80 г. который содержит цилиндр, поршень с шатунно-кривошипным механизмом и ротор с тремя полостями. Поршень двигателя через перепускное отверстие в статоре проталкивает сжатую рабочую смесь непосредственно в полость ротора. За счет поворота ротора перепускное отверстие закрывается, и рабочая смесь оказывается в замкнутом объеме, где она воспламеняется от запальной свечи и происходит ее горение. При дальнейшем повороте ротора, полость соединяется с выпускным отверстием и происходит выхлоп. Наиболее близким по техническому решению и принципу действия к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство 5.

Недостатки прототипа:
1. Горение рабочей смеси происходит в замкнутом объеме, при этом создается очень высокое избыточное давление, но вращательного момента в этот период не возникает.

2. Вращательный момент возникает только во время выхлопа, причем, для создания максимально возможного повышения коэффициента полезного действия выхлопное отверстие должно иметь достаточно большой диаметр.

С целью устранения указанных недостатков и повышения КПД двигателя предлагаемое изобретение выполнено так, что первая половина рабочего цикла (всасывается и сжатие рабочей смеси) происходит аналогично прототипу 5, а вторая половина рабочего цикла имеет принципиальное отличие, а именно: горение рабочей смеси происходит в специальной камере сгорания, расположенной на ободе статора, а продукты горения (газы) через направляющее сопло по траектории близкой к касательной устремляются в полость ротора.

Предлагаемое изобретение графически изображено на фиг.1 и фиг.2.

Здесь изображен двухцилиндровый двигатель, хотя в принципе число цилиндров может быть изменено в любую сторону в зависимости от мощности двигателя и условий его эксплуатации.

Двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2 с шатунно-кривошипным механизмом 3. В головке цилиндра расположены впускной 4 и перепускной 5 клапана. Камера сгорания 6 расположена на ободе статора 14 имея сферическую форму с одной стороны через канал перепускного клапана 5 соединена с цилиндром двигателя 1, а с другой стороны через направляющее сопло 9 соединена с полостью статора. Направляющее сопло выполнено заподлицо с внутренней поверхностью статора 14. Причем цилиндр двигателя, камера сгорания и статор жестко соединены между собой. Полость статора имеет вид цилиндра с двумя крышками фиг. 2.1. В полости статора установлен ротор на подшипниках, закрепленных в крышках статора. Ротор одновременно выполняет и роль маховика. Ротор по периметру плотно прилегает к внутренней поверхности статора и по периметру имеет несколько полостей 10, в которые поочередно через направляющее сопло устремляются продукты горения рабочей смеси и приводят ротор во вращательное движение. В одной из крышек выполнено отверстие для вала отбора мощности фиг. 2.2. который через систему шестерен связанc шатунно-кривошипным механизмом поршня цилиндра.

Рассмотрим принцип действия предлагаемого изобретения фиг 1. Поршень 2, находясь в крайней верхней точке, начинает движение "вниз" при этом через открытый впускной клапан 4 происходит всасывание топливо-воздушной смеси. Достигнув крайней "нижней" точки, поршень, совершая возвратно-поступательное движение, начинает двигаться "вверх". Впускной клапан закрыт, происходит сжатие топливо-воздушной смеси и через открытый перепускной клапан 5 перекачка ее в камеру сгорания 6. Как только поршень достигает крайней "верхней" точки, перепускной клапан перекрывает канал, поршень идет вниз, повторяя тот же цикл, а в камере сгорания от запальной свечи 7 воспламеняется топливо-воздушная смесь. В этот момент ротор-маховик двигателя 8, совершая вращательное движение, открывает направляющее сопло 9, и газы под большим давлением попадает в полость ротора-маховика 10, ударяют в рабочую лопатку ротора-маховика 11, передавая ему накопленную энергию. За время рабочего хода под действием давления газов ротор-маховик совершает поворот на 60^oC, (поршень за это время совершает движение от крайней "верхней" точки до крайней "нижней" точки), открывает выпускное сопло 12 и газы выходят в атмосферу. В этот момент камера сгорания через направляющее сопло и полость ротора-маховика соединена с выпускным соплом, происходит продув системы. Затем одновременно поршень начинает движение вверх (сжатие), а ротор-маховик выступом 13 перекрывает направляющее сопло и обеспечивает замкнутость камеры сгорания, необходимую для сжатия топливо-воздушной смеси. Этот цикл многократно повторяется.

Ротор-маховик двухцилиндрового двигателя имеет три полости с рабочими лопатками и три выступа делящих обод ротора-маховика на шесть равных частей, причем выступы ротора-маховика плотно прилегаютк внутренней поверхности статора и исключают возможность утечки топливо-воздушной смеси в момент сжатия.

Поршни двухцилиндрового двигателя жестко соединены между собой так, что когда первый поршень находится в крайней "верхней" точке, то второй поршень находится в крайней "нижней" точке. Это обеспечивает то, как только кончается горение топливо-воздушной смеси в камере сгорания первого цилиндра, сразу же начинается горение в камере сгорания второго цилиндра и воздействие газов на ротор-маховик происходит непрерывно.

За один полный поворот ротора-маховика каждый поршень успевает выполнить три цикла, а ротор-маховик испытывает шестиразовое воздействие газов. Ротор-маховик установлен в полости статора на подшипниках, закрепленных в крышках статора. В одной из крышек выполнено отверстие для вала отбора мощности, который через систему шестерен связан с шатунно-кривошипным механизмом.

Предлагаемое изобретение имеет ряд преимуществ перед прототипом:
1. Камера сгорания имеет форму, близкую к идеальной, а это обеспечивает более полное сгорание топливо-воздушной смеси и снизит токсичность выхлопных газов.

2. Поскольку в камере сгорания полностью отсутствуют трущиеся поверхности, внутреннюю поверхность ее можно выполнить из жаропрочной керамики.

3. Перепускной клапан изолирует камеру сгорания от полости цилиндра и это исключает возможность детонации, можно увеличить степень сжатия рабочей смеси, что в совокупности с п.1 повысит КПД двигателя.

4. Возможно создание двигателя, работающего по принципу дизеля.

5. за счет изоляции камеры сгорания двигатель становится менее критичным к октановому числу топлива, а это представляет возможность создать двигатель, работающий на различных видах топлива.

Предлагаемое изобретение может быть использовано во всех областях деятельности человека. Например, в лесной промышленности для создания легких переносных бензопил, в автомобильной промышленности, в железнодорожном и морском транспорте, в авиации и т.д.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель имеет цилиндр с шатунно-кривошипным механизмом, кинематически связанный с валом узла отбора мощности. В головке цилиндра имеются впускной и перепускной клапаны. Через перепускной клапан цилиндр связан с камерой сгорания, которая расположена на ободе статора, имеет сферическую форму, и с другой стороны через направляющее сопло соединена с полостью статора. Цилиндр двигателя, камера сгорания и статор двигателя жестко соединены между собой. Полость статора имеет вид цилиндра с двумя крышками. В полости статора установлен ротор на подшипниках, закрепленных в крышках статора. Ротор одновременно выполняет и роль маховика двигателя. Ротор по периметру плотно прилегает к внутренней поверхности статора и по периметру имеет несколько полостей, в которые поочередно через направляющее сопло устремляются продукты горения рабочей смеси и приводят ротор во вращательное движение. В одной из крышек выполнено отверстие для вала отбора мощности. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий статор, жестко закрепленный на нем цилиндр, размещенный в нем поршень с шатунно-кривошипным механизмом, кинематически связанный с валом узла отбора мощности, ротор, на боковой поверхности которого выполнены рабочие полости для приема продуктов горения рабочей смеси, направляемых из камеры сгорания, отличающийся тем, что по крайней мере одна из камер сгорания соединена через канал с перепускным клапаном с полостью цилиндра, а через сопло, установленное на статоре под углом к боковой поверхности ротора с рабочими полостями ротора. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся там, что камера сгорания выполнена сферической формы, установлена между цилиндром и статором и жестко связана с ним. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор выполнен с двумя крышками, на которых через подшипники установлен ротор. 4. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что торец сопла камеры сгорания выполнен заподлицо с внутренней поверхностью статора.