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

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к транспортным двигателям, и может быть использовано на транспорте и спортивных средствах передвижения.

Известен двигатель Д-48 ПЛ [1] содержащий картер, цилиндры, поршни, коленчатый вал и шатуны.

Недостатком данного двигателя является наличие коленчатого вала и шатунов, вследствие чего вал расположен под углом 90 ^o к цилиндрам, а это создает неудобство компановки, сложную конструкцию картера, громоздкость.

Известен также роторный двигатель Ф. Ванкеля [2] выбранный автором в качестве прототипа, состоящий из корпуса, трехгранного ротора, сидящего на эксцентрике рабочего вала. Сложное планетарное движение ротора преобразуется во вращательное движение рабочего вала.

Недостатком этого двигателя является сложная конструкция, заключающаяся в том, что на боковой стенке корпуса имеется шестерня с внешним зацеплением, установленная неподвижно, входящая в зацепление с зубчатым колесом, установленным на роторе, совершающем планетарное движение. Уплотнение вершин ротора неудовлетворительное. Для увеличения числа камер сгорания более трех, а также для увеличения степени сжатия необходимо строить многосекционные двигатели, при этом резко возрастает масса и габариты конструкции. На радиальные уплотнительные пластины действуют значительные центробежные силы, пластины сильно прижимаются к рабочей поверхности корпуса и быстро изнашивают ее.

Изобретение обеспечивает: создание технологичных, мощных, малошумных, с большим ресурсом и КПД, экологически чистых роторно-поршневых двигателей с одновременным уменьшением габаритов и массы.

Указанный результат достигается тем, что в трехсекционном роторно-поршневом двигателе, в первой секции-компрессоре сжимается воздух, который нагнетается через соединительный канал в рабочую секцию. Там производится вторичное сжатие, впрыскивание насосом топлива, воспламенение горючей смеси и первичное расширение. Отработавшие в рабочей секции газы поступают в третью секцию, в которой расширяясь, совершают дополнительную работу. Роторы первой и второй секций выполнены как одно целое. Ротор третьей секции свободно размещен на валу и через муфту свободного хода передает крутящий момент валу только в одну сторону. В третью секцию дополнительно впрыскивается вода, снижает температуру, ускоряет превращение вредной окиси углерода в двуокись, уменьшает содержание в отработавших газах оксидов азота.

Вследствие высокой степени расширения газов глушитель двигателю не нужен. Конструкция радиальных уплотнительных пластин такова, что на любых частотах вращения они прижимаются к рабочей поверхности корпуса с заданным усилием.

Ротор выполнен цилиндрическим, с четырьмя цилиндрическими пустотами внутри, выполняющими роль воздушных ресиверов, сообщенных с наружной частью ротора каналами, выполненными в виде реактивных сопел, направленных в сторону, противоположную вращению ротора. В роторе выполнено осевое отверстие для прокачки через него масла, смазывающего поршни компрессора и поршни рабочей секции, выполненные в виде пластин и размещенные в пазах с обеих торцов ротора между ресиверами с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси ротора. С обеих торцов ротор оканчивается валами и установлен в трехсекционном корпусе с возможностью вращения, причем эллиптическая полость первой секции и эллиптическая полость второй рабочей секции размещены эксцентрично относительно оси ротора, со смещением серповидных полостей наибольшего объема на 180^o. Внутренняя полость первой секции сообщается с ресиверами в роторе каналами, что увеличивает объем камер компрессора, а также охлаждает ротор изнутри.

Поршни первой секции-компрессора снабжены роликовыми уплотнителями радиальных зазоров, установленными с возможностью обкатывания по внутренней рабочей поверхности полости первой секции корпуса, что снижает трение и износ торцов поршней и рабочей поверхности секции.

Поршни второй секции ротора снабжены отбалансированными уплотнительными пластинами радиальных зазоров, прижимаемыми пружинами к внутренней рабочей поверхности второй секции корпуса с заданным усилием независимо от частоты вращения ротора, что также снижает износ рабочей поверхности второй секции корпуса с заданным усилием, независимо от частоты вращения ротора, что также снижает износ рабочей поверхности второй секции.

В третьей секции корпуса, на рабочем валу, установлен цилиндрический ротор с возможностью вращения вокруг центральной оси, который через муфту свободного хода передает крутящий момент рабочему валу. По периметру ротора выполнены два ряда реактивных сопел.

Из второй секции через соединительный канал наклонно на внутреннюю поверхность ротора в сторону его вращения подается парогазовая смесь. Из парогазовой смеси на внутренней поверхности ротора формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора. Реактивные сопла по периметру ротора преобразуют поток в высокоскоростные струи парогазовой смеси, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора. Через сопло Лаваля на внутренней стороне торцовой крышки корпуса подается под давлением вода на внутреннюю поверхность ротора, обращенную к торцовой стенке.

Из струй воды на внутренней поверхности ротора формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которое преобразуется в силу вращения ротора. Реактивные сопла второго ряда преобразуют поток в высокоскоростные струи воды, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора. По периметру торца ротора выполнены серпообразные углубления. Ударные волны, порожденные пульсациями давления отработавшей парогазовой смеси, создают дополнительную силу вращения ротора. В торцовой части ротора, обращенной к торцовой крышке корпуса, вмонтированы сегменты постоянных магнитов. С наружно стороны торцовой крышки корпуса, против секций магнитов, в роторе закреплены полюсные башмаки с обмотками возбуждения, благодаря чему ротор третьей секции дополнительно может использоваться как династартер.

На валу, со стороны наружной торцовой части первой секции-компрессора ротора, закреплена четырехкулачковая шайба, а в торцовой крышке первой секции корпуса, выполнено отверстие перпендикулярно валу для размещения толкателя и закрепления одноплунжерного топливного насоса.

Уплотнение второй рабочей секции осуществляется благодаря лабиринту, создающемуся между стенками внутренней поверхности корпуса и наружной поверхностью ротора, с помощью уплотнительных сегментов пластин, размещенных в канавках внутренней поверхности корпуса и прижимаемых к ротору витыми пружинами.

Из внутренней полости третьей секции парогазовая смесь выходит наружу.

Трехсекционный роторно-поршневой двигатель в разрезе и отдельно основные детали представлены на фиг. 1-9, а схемы газораспределения на фиг. 10-14, а именно: фиг. 1 трехсекционный роторно-поршневой двигатель ААП-3 в разрезе, фиг. 2 ротор компрессора и второй рабочей секции, фиг. 3 пластины-поршни компрессора, фиг. 4 пластина-поршень второй рабочей секции, фиг. 5 ротор компрессора и второй рабочей секции в разрезе, фиг.6 ротор компрессора и второй рабочей секции со стороны торцовой части компрессора, фиг.7 ротор третьей секции, вид с торцов, фиг.8 разрез двигателя по второй рабочей секции, фиг.9 промежуточная цилиндрическая часть корпуса и ее разрез по уплотнителям, фиг.10 в секции-компрессоре всасывание, фиг.11А в секции-компрессоре воздух сжат и перепускается в рабочую секцию, фиг.11Б в рабочей секции перекрытие, фиг.12А в секции-компрессоре перепуск, фиг.12Б в рабочей секции дозарядка воздухом, фиг. 13А в секции-компрессоре конец всасывания, начало сжатия, фиг.13Б в рабочей секции воспламенение, фиг.14А в секции-компрессоре сжатие, фиг.14 Б в рабочей секции рабочий ход, фиг.15 в третьей секции схема движения парогазовой смеси.

Роторно-поршневой двигатель состоит из цилиндрического ротор 1, с обоих торцов которого закреплены фланцы с цилиндрическими валами 2 и 3 и цилиндрического ротора 4, установленного с возможностью вращения на валу 3. Оба ротора размещены в корпусе 5 двигателя, состоящем из секции-компрессора 6, промежуточной уплотнительной вставки 7, второй рабочей секции 8, промежуточной уплотнительной вставки 9, третьей рабочей секции 10, торцовых крышек 11 и 12.

Ротор 1, выполнен цилиндрическим с четырьмя пустотами воздушными ресиверами 13 вдоль оси, сообщенными с секцией-компрессором каналами 14, выполненными в виде реактивных сопел, направленных в сторону, противоположную вращению ротора. С обеих сторон ротора 1 выполнены прямоугольные пазы 15, между ресиверами 13. В пазах 15 размещены пластины-поршни 16 и 17 с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси ротора. В роторе 1 также выполнено осевое отверстие 18 для прокачки через него масла, смазывающего пластины-поршни 16, 17.

Пластины-поршни 16 первой секции-компрессора 6, снабжены роликовыми уплотнителями радиальных зазоров 19, установленными с возможностью обкатывания по внутренней поверхности полости секции-компрессора 6. Пластины-поршни 17 второй рабочей секции 8 снабжены отбалансированными уплотнительными пластинами радиальных зазоров 20, прижимаемыми пружинами 21 к внутренней рабочей поверхности второй секции 8 корпуса 5. На валу 3, в третьей секции 10, установлен цилиндрический ротор 4 с возможностью вращения, который через муфту свободного хода 22, имеет возможность передачи вращения валу 3. По периметру ротора 4 выполнены два ряда реактивных сопел 23 и 24. В торцовой части ротора 4, со стороны реактивных сопел 23, выполнены серпообразные углубления 25, а в торцовой части со стороны реактивных сопел 24 вмонтированы сегменты постоянных магнитов 26. На валу 2 размещена и закреплена к торцу фланца четырехкулачковая шайба 27. В торцовой крышке 11 корпуса 5 двигателя, выполнено отверстие 28 для размещения насоса толкателя топливного. В торцовой крышке 12 выполнен водяной канал 29.

С наружной стороны торцовой крышки 12 закреплены полюсные башмаки с обмотками возбуждения 30. Промежуточная уплотнительная вставка 7 имеет впускное отверстие 31 и соединительный канал 32, а также кольцевые канавки 33 уплотнительных кольцевых сегментов 34 и отверстия 35 для пружин 36. Во второй рабочей секции 8 выполнена вихревая шаровая камера сгорания 37 с отверстиями для форсунки, свечи накаливания и декомпрессора. Уплотнительная вставка 9 имеет выпускное отверстие 38, соединительный канал 39, кольцевые канавки 33 для размещения уплотнительных кольцевых сегментов 34, отверстия 35 для пружин 36, отверстия 40 для распыления предварительно подогретой воды в соединительный канал 39, центральное отверстие 41 для размещения подшипника качения 42, вала 3.

Цилиндрический ротор 1 с валами 2 и 3 размещен на тех подшипниках качения 42, два из которых размещены в торцовых крышках 11 и 12.

Ротор 4 размещен на двух подшипниках качения 43, установленных на рабочем валу 3.

Газораспределение в двигателе осуществляется пластинами-поршнями 16 первой секции-компрессора 6 и пластинами-поршнями 17 второй рабочей секции 8.

Охлаждение ротора 1 и пластин-поршней 16 т 17 осуществляется маслом, прокачиваемым через центральное отверстие 18, и воздухом, прокачиваемым через ресиверы 13 и через первую секцию-компрессор и при продувке второй рабочей секции, а также маслом, прокачиваемым под давлением через осевое отверстие 18.

Охлаждение ротора 4 осуществляется парогазовой смесью и воздухом или, в судовых условиях, парогазовой смесью и забортной водой, подаваемой через водяной канал 29 на внутреннюю поверхность ротора.

Пластины-поршни 16 секции-компрессоры 6 разделяют внутренние эллиптические полости между наружной поверхностью ротора 1 и внутренней эллиптической поверхностью полости секции-компрессора 6, в данной случае на четыре полости переменного объема.

Пластины-поршни 17 второй рабочей секции 8 разделяют внутренние полости между наружной поверхностью ротора 1 и внутренней эллиптической поверхностью полости второй рабочей секции 8 также на четыре полости переменного объема, причем эллиптическая полость первой секции-компрессора 6 и эллиптическая полость второй рабочей секции 8 размещены эксцентрично относительно оси ротора, со смещением серповидных полостей наибольшего объема на 180 ^o. При вращении ротора 1 пластины поршни 16 и 17 перемещаются перпендикулярно оси ротора 1 и в каждом из четырех объемов между пластинами поршнями 16 и 17 происходит рабочие процессы цикла.

Когда ротор 1 займет положение 1 (см. фиг.10), то в объеме секции-компрессоре 6, происходит всасывание воздуха. Воздух поступает в объем через впускное отверстие 31 и в воздушный ресивер 13 через канал 14. При этом создается вращательное движение воздуха при поступлении в ресивер 13. При дальнейшем вращении ротора 1 в этом же объеме и в полости ресивера 13 происходит сжатие воздуха. Повернувшись на определенный угол, ротор 1 займет положение фиг. 11 А и Б, при котором откроется соединительный канал 32 и начнется продувка объема второй рабочей секции, смещенного на 180^o по отношению к объему в секции-компрессора 6, сжатым в ресивере 13 и в объему секции-компрессоре 6 воздухом. При этом сжатый в ресивере 13 воздух через канал 14, выполненный в виде реактивного сопла, направленного в сторону, противоположную вращению ротора 1, поступает в объем секции компрессора 6.

При дальнейшем повороте (фиг. 12 А и Б) ротор 1 займет положение, при котором в объеме второй рабочей секции 8 закроется соединительный канал 39, воздух еще будет подаваться в объем из секции-компрессора 6 под избыточным давлением через соединительный канал 32.

После закрытия соединительного канала 32 воздух в объему второй рабочей секции, продолжая сжиматься, входит в зону действия насоса форсунки (фиг.13 Б) осуществляется впрыск топлива в объем под большим давлением и его сгорание. В объеме секции-компрессора (фиг.13 А) закончено всасывание. Далее происходит рабочий ход (фиг.14 Б). В это же время в объеме секции-компрессора 6 происходит сжатие воздуха (фиг.14 А) затем, через соединительный канал 39, выпуск отработавших во второй рабочей секции 8 газов в третью секцию 10 (фиг. 15). При этом отработавшие газы в соединительном канале 39 смешиваются с предварительно подогретой водой, подаваемой через отверстие 40. Парогазовая смесь подается наклонно в сторону вращения на внутреннюю поверхность ротора 4. Отработав на внутренней поверхности ротора 4, парогазовая смесь через реактивные сопла 23 вырывается в наружную полость третьей секции 10, заставляя ротор 4 вращаться. При уравнивании оборотов с оборотами рабочего вала 3, ротор 4 через муфту свободного хода 22 входит с валом 3 в зацепление и передает ему крутящий момент.

В результате того что ротор 4 сообщается с валом 3 через муфту свободного хода 22 и при использовании ротора 4 только как генератора тока при пуске двигателя навесным стартером момент сопротивления прокручиванию вала будет меньше, так как ротор 4 во время старта и на малых оборотах двигателя не сообщен с валом 3. Отработавшая парогазовая смесь из полости третьей секции 10 через выпускное отверстие 38 выходит наружу, при этом ударные волны, порожденные пульсациями давления отработавших газов, воздействуют на серпообразные углубления 25 в роторе 4 и способствуют его вращению.

Таким образом, за полный оборот ротора 1 по своему действию данный роторно-поршневой двигатель аналогичен четырех-цилиндровому двухтактному двигателю.

За полный цикл происходит четыре рабочих хода.

Двигатель прост в изготовлении, может быть изготовлен при помощи токарного, фрезерного, шлифовального станков.

В основном предназначен для морского и речного транспорта.

Может быть использован для автомобильного транспорта.

Основные отличия двигателя от поршневых двигителей заключаются в отсутствии кривошипно-шатунного механизма, создающего большие инерционные вилы при высоких оборотах вала двигателя.

В двигателе используются эффективные уплотнители, герметизирующие камеры секции-компрессора 6 и камеры второй рабочей секции 8.

Конструктивно можно получить любую степень сжатия. Роторы двигателя совершают только вращательное движение, в результате двигатель обладает полной уравновешенностью подвижных частей.

Двигатель экономичен, так как отработавшие в рабочей секции 8 газы используются вторично в третьей рабочей секции 10, экологически чист. Малошумен, давление отработавших газов при выходе в атмосферу ниже критического. Двигатель состоит всего из нескольких крупных деталей, его габариты и масса меньше, чем у двигателя Ванкеля, разработанного фирмой "Роллс-Ройс". В двигателе используются также ударные волны, порожденные пульсациями давления отработавших газов.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: трехсекционный роторно-поршневой двигатель, содержащий ротор 1 с обеих сторон с цилиндрическими валами 2 и 3, с цилиндрическими пустотами-воздушными ресиверами 13 вдоль оси, сообщенными с секцией-компрессором 6 каналами 14. В роторе 1 выполнены прямоугольные пазы 15, между ресиверами 13 в которых размещены пластины-поршни 16, 17 с возможностью перемещения перпендикулярно оси ротора 1. Ротор 4 с реактивными соплами 23 и 24 по окружности и серпообразными углублениями 25. Корпус 5 двигателя состоит из секции-компрессора 6, промежуточной вставки7, второй рабочей секции 8, промежуточной вставки9, третьей рабочей секции 10, торцовых крышек 11 и 12. 15 ил.

1. Трехсекционный роторно-поршневой двигатель, содержащий роторы на рабочем валу, установленные в корпусе, отличающийся тем, что ротор выполнен цилиндрическим с цилиндрическими пустотами, сообщенными с наружной частью ротора реактивными соплами, с обеих сторон ротора, между пустотами с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси ротора, установлены поршни в виде пластин, с обоих торцов ротор оканчивается цилиндрическими валами, на валу со стороны второй рабочей секции размещен цилиндрический ротор с возможностью вращения и через муфту свободного хода может входить в зацепление с валом, роторы установлены в трехсекционном, с впускными и выпускными каналами корпусе с возможностью вращения, причем внутренняя поверхность первой и второй секций выполнена эллиптической, эллиптическая полость первой секции и эллиптическая полость второй секции выполнены эксцентрично относительно оси ротора со смещением серповидных полостей наибольшего объема на 180^o, внутренняя поверхность третьей секции цилиндрическая, поршни секции компрессора снабжены роликовыми уплотнителями радиальных зазоров, установленными с возможностью обкатывания по внутренней поверхности секции, поршни второй рабочей секции снабжены отбалансированными уплотнительными пластинами радиальных зазоров с возможностью прижатия пружинами к внутренней поверхности второй секции корпуса, в цилиндрическом роторе третьей секции выполнены по периметру реактивные сопла, с торцевой части ротора, обращенной к второй рабочей секции, по окружности выполнены серпообразные углубления, а с противоположной торцевой части по окружности вмонтированы сегменты постоянных магнитов, уплотнительные серпообразные пластины размещены в кольцевых канавках секций корпуса с возможностью прижатия к ротору с помощью цилиндрических пружин. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в торцевой части крышки корпуса со стороны второго цилиндрического ротора, с наружной стороны закреплены полюсные башмаки генератора тока с обмотками возбуждения и выполнен водяной канал. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в торцевой крышке корпуса со стороны секции компрессора выполнено отверстие перпендикулярно валу, для размещения толкателя топливного насоса. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на валу со стороны торцевой части секции компрессора, ротора закреплена четырехкулачковая шайба.