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

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

Известен роторно-поршневой ДВС Ванкеля [1] 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 отдельные друг от друга серповидные камеры, претерпевающие периодические, смещенные на 120^o по фазе, изменение объема.

В этом двигателе один рабочий ход приходится на три оборота вала двигателя. Рабочая поверхность полости корпуса (зеркало) и ротора имеют сложную форму, поэтому трудоемки при изготовлении. Ротор двигателя имеет сложную систему охлаждения.

Также известен роторно-поршневой ДВС [2] 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. Этот ДВС принят за прототип изобретения. В этом двигателе происходит один рабочий ход на один оборот вала двигателя. Этот двигатель имеет сложную конструкцию ротора и системы его охлаждения.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя за счет упрощения конструкции ротора и системы его охлаждения. Увеличение мощности двигателя на единицу его веса.

Технический результат достигается благодаря тому, что двигатель содержит: корпус с рабочей полостью в форме прямого, кругового цилиндра, цилиндрический ротор с поршнями, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, две торцевые крышки корпуса с подшипниками для вала ротора, который является валом двигателя, впускной и выпускной клапаны с направляющими, выполненными на корпусе, два клапана системы жидкостного охлаждения и смазки ротора и поршней.

В корпусе выполнены впускное и выпускное окна и сквозное в камеру сгорания отверстие для установки в нем форсунки или свечи зажигания.

Ротор выполнен в форме прямого, кругового цилиндра и монолитным.

Поршни выполнены в виде закругленных наружных концов прямоугольных пластин, которые размещены в диаметральной щели ротора с минимальными зазорами и возможностью их перемещения.

Оси корпуса и ротора параллельны и не совмещены, причем сумма радиуса ротора и расстояния между этими осями меньше радиуса рабочей полости.

Торцы ротора и пластин с минимальными зазорами прилегают к внутренним поверхностям торцевых крышек, длина пластин больше радиуса ротора, но меньше радиуса рабочей полости, толщина концов пластин-поршней больше ширины впускного и выпускного окон.

Длина впускного и выпускного окон вдоль образующей поверхности рабочей полости меньше длины ротора. Ось ротора и продольные оси окон лежат в одной плоскости (хордовой плоскости рабочей полости).

Внутри вала ротора и его подшипниках выполнены каналы для прохождения охлаждающей и смазывающей жидкости, которые образуют сквозной канал, ко входу которого подсоединен выход одного клапана системы охлаждения и смазки, а к выходу вход другого клапана этой системы.

Отличительными признаками изобретения являются: два клапана системы жидкостного охлаждения и смазки ротора и поршней, формы выполнения ротора, поршней и каналов охлаждения ротора, кроме того, размещение впускного и выпускного клапанов, оси ротора, впускного и выпускного окон.

Конструкция двигателя и его работа поясняются чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение корпуса двигателя, лежащее в плоскости, в которой расположены впускной и выпускной клапаны и свеча зажигания или форсунка.

На фиг. 2 представлено продольное сечение корпуса в плоскости пластин ротора со стороны камеры сгорания, причем распределительный вал механизма газораспределения повернут на 90^o по отношению оси ротора.

На фиг. 3 представлена схема сечения рабочей полости и ротора.

На фиг. 4 и 5 представлены диаграммы фаз газораспределения в первом и втором цилиндрах рабочей полости.

На фиг. 6 представлены диаграммы открытия впускного и выпускного клапанов.

На фиг. 7 и 8 представлены поперечные сечения распределительного вала в плоскостях кулачков впускного и выпускного клапанов, которые обеспечивают их открытие.

На фиг. 9 представлено поперечное сечение распределительного вала в плоскости кулачков прерывателя системы зажигания или топливного насоса.

На фигурах введены обозначения: 1 корпус двигателя; 2 рабочая полость; 3 торцевая крышка корпуса; 4 подшипник вала ротора (двигателя); 5 6 впускное и выпускное окна; 7 отверстие в корпусе для форсунки или свечи; 8 ребра охлаждения корпуса; 9 ротор; 10 пластины (поршни); 11 - вал ротора и двигателя; 12 канал охлаждающей и смазывающей жидкости; 13 - клапан системы охлаждения и смазки ротора и поршней; 14 трубопровод охлаждающей и смазывающей жидкости; 15 16 впускные клапан и патрубок с направляющей штока клапана; 17 18 выпускные клапан и патрубок с направляющей штока клапана; 19 коромысло; 20 толкатели впускного и выпускного клапанов; 21 распределительный вал механизма газораспределения; 22 шестерня распределительного вала; 23 шестерня вала двигателя; 24 - форсунка или свеча зажигания; 25 кулачок впускного клапана; 26 кулачок выпускного клапана; 27 прерыватель системы зажигания; 28 кулачки топливного насоса или прерывателя; 29 пружина.

Для удобства рассмотрения работы двигателя введем понятия первого и второго рабочих цилиндров рабочей полости двигателя, в каждом из которых происходит полный цикл четырехтактного двигателя за два оборота его вала, поэтому в предложенной конструкции за два оборота вала происходит два рабочих хода (два расширения).

Действительно, ротор с поршнями делит рабочий объем корпуса двигателя на два изолированных друг от друга объема. Назовем первым цилиндром объем рабочей полости, ограниченной частью ее поверхности и противолежащей ей поверхностью ротора (на фиг. 1 эта половина обозначена точкой) и поршней. Вторым цилиндром назовем объем, ограниченный второй половиной поверхности ротора и поршней и противолежащей им части поверхности рабочей полости.

Положение ротора, в котором концы пластин (поршни) равны друг другу, назовем равновесным. В этом положении ротор с поршнями делит рабочий объем корпуса двигателя на два неравных объема: минимальный и максимальный. Минимальный объем является объемом камеры сгорания, а максимальный рабочим объемом каждого рабочего цилиндра. Сумма этих объемов равна полному объему одного цилиндра. Равновесное положение ротора можно соотнести верхней мертвой точке со стороны камеры сгорания и нижней мертвой точке со стороны рабочего объема цилиндра, поршневого двигателя.

Рабочие цилиндры связаны с ротором, поэтому при вращении последнего объемы рабочих цилиндров будут меняться от объема камеры сгорания (минимального объема) до рабочего объема цилиндра (максимального объема), причем когда один объем уменьшается, другой увеличивается, и наоборот. Поэтому в рабочей полости корпуса двигателя одновременно происходит два разных такта: или впуск и сжатие; или сжатие и рабочий ход (расширение); или рабочий ход и выпуск; или выпуск и впуск.

Такая работа двигателя обеспечивает два рабочих хода за два оборота вала двигателя.

Степень сжатия рабочей смеси в таком двигателе можно менять в широких пределах, поэтому он может работать как карбюраторный и как дизель. Для этого достаточно заменить свечу зажигания на форсунку, подсоединения ее к топливному насосу.

Оценим степень сжатия рабочей смеси двигателя. Для этого введем обозначения (см. фиг. 3): R-радиус рабочей полости корпуса; l-длина рабочей поверхности и ротора и ширина пластин (поршней); a-толщина пластин; r-радиус ротора; h-расстояние между осями рабочей полости и ротора; V_р -рабочий объем каждого цилиндра; V_с-объем камеры сгорания каждого цилиндра; V_п-полный объем каждого цилиндра (V_п=V_р+V_с).

Расчет проведем в приближении, что a и h<R. При этих условиях из фиг. 3 нетрудно показать, что рабочий объем цилиндра равен:
V_р = [π/2(R²- r²)+2Rh]•l
Объем камеры сгорания равен
V_с = [π/2(R²- r²)-2Rh]•l
Полный объем цилиндра равен
V_п = π(R²- r²)•l
Степень сжатия рабочей смеси равна отношению

Как видно из этого равенства, степень сжатия не зависит от длины рабочей полости корпуса, т.е. продольных размеров двигателя.

Степень сжатия будет равна бесконечности, если в предыдущей формуле знаменатель будет равен нулю, т.е.

R²- r²= 4Rh/π
Из этого уравнения можно определить требуемое расстояние между осями рабочей полости и ротора, которое равно

Для обеспечения высокой степени сжатия для работы двигателя в режиме дизеля, например при r=0,9R, это расстояние равно

Выполнение частей двигателя.

Корпус 1 двигателя имеет рабочую полость 2 в форме прямого, кругового цилиндра с торцевыми крышками 3. Выполняется он из металла, например из чугуна или алюминиевого сплава. В крышках выполнены подшипники 4 вала двигателя.

На наружной поверхности корпуса расположены ребра охлаждения 8 или водяная рубашка, кронштейны для крепления распределительного вала 21 и коромысел 19. Кроме того, герметично, напротив впускного и выпускного окна, установлены впускной и выпускной (16 и 18) патрубки с впускным 15 и выпускным 17 клапанами. Кронштейны, патрубки и клапана выполняются из металла, например из стали.

Ротор 9 выполнен в виде монолитного, прямого, кругового цилиндра с диаметрельной щелью для пластин. Ротор выполняется из металла, например из чугуна. Радиус ротора меньше радиуса рабочей полости корпуса, но больше его половины. Его длина равна длине рабочей полости. Ротор имеет соосный вал, который является валом двигателя.

На роторе 9 в его сквозной диаметральной щели с минимальными зазорами размещены две пластины, концы которых являются поршнями и скруглены для лучшего прилегания к рабочей поверхности полости корпуса. Длина пластин 10 больше радиуса ротора, но меньше радиуса рабочей поверхности корпуса. Ширина пластин равна длине ротора, а их толщина больше ширины впускного и выпускного окна. Выполнены пластины из жаропрочной стали или чугуна.

Пластины размещены в роторе с возможностью перемещения, а ротор с пластинами в полости корпуса с возможностью вращения и минимальными зазорами между его внешней поверхностью и поверхностью рабочей полости. При вращении ротора концы пластин, выходящие из ротора, образуют поршни, которые центробежными силами прижимаются к рабочей поверхности корпуса, образуя внутри ротора канал для охлаждающей и смазывающей жидкости. При вращении ротора пластины все время перемещаются в его щели, внутренние концы которых изменяют объем канала ротора, которые работают как поршни насоса охлаждающей и смазывающей жидкости. Внутри вала ротора и его подшипниках выполнены каналы, которые вместе с каналом ротора образуют канал охлаждения и смазки ротора и пластин. К входу этого канала присоединен выход клапана 13, а к его выходу вход другого клапана 13, которые образуют насос системы охлаждения и смазки ротора и пластин и их внешних концов поршней.

Ротор ниже не должен касаться внутренней поверхности рабочей полости корпуса. Для этого должно соблюдаться условие: длина радиуса ротора плюс расстояние между осями полости корпуса и ротора должны быть меньше длины радиуса этой полости. Коромысла 19, толкатели 20, распределительный вал 21, шестерни 22 и 23 привода распределительного вала, кулачки 25, 26 и 28 выполняются из металла. Пружина 29 выполняется из стальной проволоки. Форсунка (свеча зажигания) 24 могут быть стандартными, выпускаемыми промышленностью.

Описание двигателя в статике
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит: корпус 1 двигателя с рабочей полостью 2, торцевые крышки 3 с подшипниками 4 для вала двигателя, ротор 9 с пластинками 10, размещенными в сквозной, диаметральной щели ротора 9, механизм газораспределения, системы питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), смазочную систему и систему охлаждения корпуса и поршней и ротора.

Полость корпуса выполнена в форме прямого кругового цилиндра (фиг. 1). На боковой поверхности корпуса выполнены впускное 5 и выпускное 6 окна в виде сквозных продольных щелей и сквозное отверстие 7для форсунки или свечи 24. Щели расположены на противоположных сторонах корпуса в плоскости, смещенной относительно диаметральной плоскости рабочей полости, отверстие 7 расположено на стороне корпуса куда смещены щели. Подшипники 4 соосны и их ось параллельна оси рабочей полости, не совпадает с ней и лежит в одной плоскости с продольными осями щелей 5. На внешней поверхности корпуса выполнены ребра охлаждения 8, кронштейны для крепления распределительного вала 21 и коромысел 19, также впускной 16 и выпускной 18 патрубки с клапанами 15 и 17.

Ротор 9 выполнен в форме монолитного, кругового, прямого цилиндра и установлен в полости корпуса соосно подшипникам торцевых крышек 3 и в этих подшипниках. Ротор имеет сквозную, диаметральную щель, в которой расположены две пластины с минимальными зазорами и возможностью перемещения в ней. Радиус барабана меньше радиуса рабочей полости, но больше его половины. Сумма длины радиуса ротора и расстояния между его осью и осью рабочей полости меньше радиуса этой полости. Длина ротора, ширина пластин равны длине рабочей полости. Внешние концы пластин 10 закруглены и образуют поршни переменной длины. Толщина пластин больше ширины щелей 5. Длина каждой пластины больше радиуса ротора, но меньше радиуса рабочей полости 2. Для лучшей изоляции объемов разделенной ротором рабочей полости пластины могут быть рассечены пополам плоскостью параллельной их широкой стороне.

Механизм газораспределения содержит распределительный вал 21 с приводом в виде двух шестерен 22 и 23 с соотношением числа зубьев 2:1, два толкателя 20, впускной и выпускной клапаны 15 и 17, два коромысла 19, две пружины сжатия 29. На распределительном валу 21 установлены кулачки впускного 25 и выпускного 26 клапанов (фиг. 7 и 8), жестко с ними соединенные. Эти кулачки обеспечивают открытие клапанов 15 и 17 в соответствии с диаграммой фиг.6.

Система питания содержит бак, топливопровод, топливный фильтр, топливный насос, форсунку или карбюратор, впускной 16 и выпускной 18 патрубки.

Система зажигания бензинового двигателя содержит катушку зажигания, свечу 24 зажигания, прерыватель 27 с контактами, кулачки 28 прерывателя. При работе двигателя в режиме дизеля (без зажигания) кулачки 28 управляют работой топливного насоса. Кулачки обеспечивают за два оборота вала двигателя подачу два раза высокого напряжения на свечу или два впуска топлива (фиг.9).

Система охлаждения корпуса может быть выполнена воздушной и жидкостной. При воздушной системе она состоит из ребер 8 и вентилятора. Система охлаждения ротора и пластин (поршней) содержит резервуар для масла, радиатор, фильтр и маслопроводы. Насос состоит из двух клапанов 13, маслопроводящих каналов 12 вала ротора, подшипников и канала ротора. Роль поршней насоса выполняют внутренние концы пластин 10.

Смазочная система совмещена с системой охлаждения ротора.

Описание двигателя в динамике
Порядок смены тактов в цилиндрах двигателя за два оборота его вала приведен в таблице 1.

При запуске двигателя от руки или стартера путем проворачивания вала двигателя слева направо правый клапан 15 является впускным, а левый 17 - выпускным. При обратном вращении функции клапанов меняются.

При первом полуобороте вала двигателя (см. таблицу 1, фиг. 1, 4 и 5) впускной клапан 15 открыт, а выпускной закрыт (17). Объем первого цилиндра увеличивается, а второго уменьшается, поэтому в первом цилиндре происходит впуск горячей смеси, а во втором сжатие рабочей смеси. За несколько градусов (в зависимости от частоты вращения вала) до окончания такта сжатия система зажигания воспламеняет рабочую смесь в камере сгорания.

При втором полуобороте вала объем первого цилиндра уменьшается, а второго увеличивается. В первом цилиндре происходит сжатие рабочей смеси, а во втором рабочий ход, так как воспламенение смеси в этом цилиндре произошло еще в предыдущем такте. За несколько градусов до окончания такта сжатия в первом цилиндре системы зажигания воспламеняют рабочую смесь в камере сгорания. При этом оба клапана 15 и 17 закрыты.

При третьем полуобороте вала впускной клапан 15 закрыт, а выпускной 17 открыт. В первом цилиндре происходит рабочий ход, во втором выпуск отработавших газов.

При четвертом полуобороте вала оба клапана открыты. В первом цилиндре идет выпуск, а во втором впуск горючей смеси. Цикл закончен. За один цикл работы двигателя произошло два рабочих хода. Следовательно, при одной рабочей полости корпуса двигатель работает как двухцилиндровый четырехтактный ДВС.

Система охлаждения и смазки ротора и поршней работает следующим образом. При вращении ротора центробежные силы прижимают концы пластин поршни к поверхности рабочей полости корпуса, при этом пластины непрерывно перемещаются в прорези ротора, изменяя объем его канала. При равновесном положении ротора объем этого канала минимален, а при максимально неравновесном положении, когда длина одного поршня максимальна, а другого минимальна, объем канала максимален. При заполненном канале охлаждающей и смазывающей жидкостью, включающем в себя каналы ротора, вала и подшипников, внутренние концы пластин выполняют функцию поршней и вместе с клапанами охлаждающей и смазывыющей жидкости образуют насос, прогоняющий жидкость через ротор и тем самым охлаждая его и поршни.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с цилиндрической рабочей полостью, монолитный цилиндрический ротор с поршнями, установленный в рабочей полости несоосно ей, впускной и выпускной клапаны с направляющими, выполненными на корпусе, и два клапана системы жидкостного охлаждения и смазки ротора и поршней. На корпусе выполнены впускное и выпускное окна и сквозное в камеру сгорания отверстие для форсунки или свечи зажигания. Поршни выполнены в виде наружных концов двух прямоугольных пластин, которые размещены в сквозной диаметральной щели ротора с возможностью перемещения. Продольные оси впускного и выпускного окон и ось ротора расположены в одной хордовой плоскости рабочей полости. Поршни, торцы ротора и пластин прилегают к внутренним поверхностям рабочей полости с минимальными зазорами. Внутри ротора, вала и подшипников выполнены каналы для охлаждающей и смазывающей жидкости, которые образуют сквозной канал, к входу которого подсоединен выход одного клапана системы охлаждения и смазки, а к выходу - вход другого клапана этой системы. Впускной и выпускной клапаны установлены напротив соответствующих окон. 3 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрической рабочей плоскостью, цилиндрический ротор с поршнями, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, две торцевые крышки корпуса с подшипниками для вала ротора, который является валом двигателя, впускной и выпускной клапаны с направляющими, выполненными на корпусе, кроме того на корпусе выполнены впускное и выпускное окна и сквозное в камеру сгорания отверстие для форсунки или свечи зажигания, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя клапанами системы жидкостного охлаждения и смазки ротора и поршней, причем ротор выполнен в виде монолитного цилиндра, а поршни в виде наружных концов прямоугольных пластин, которые размещены в сквозной диаметральной щели ротора с минимальными зазорами и возможностью перемещения, продольные оси рабочей полости корпуса и ротора параллельны и не совпадают, продольные оси впускного и выпускного окон и ось ротора находятся в одной хордовой плоскости рабочей полости, кроме того, поршни, торцы ротора и пластин с минимальными зазорами прилегают к внутренним поверхностям рабочей полости корпуса, внутри ротора, вала и в подшипниках выполнены каналы для охлаждающей и смазывающей жидкости, которые образуют сквозной канал, к входу которого подсоединен выход одного клапана системы охлаждения и смазки, а к выходу - вход другого клапана этой системы.