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. Поэтому на один рабочий ход двигателя приходятся 3 оборота вала.

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, изменения объема.

В этом двигателе один рабочий ход приходится на три оборота вала двигателя. Рабочая поверхность 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-впуска, 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.

В этом двигателе происходит один рабочий ход за один оборот вала двигателя. Двигатель имеет сложную конструкцию ротора и системы охлаждения. Этот ДВС принят за прототип изобретения.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя, за счет упрощения конструкции ротора и системы его охлаждения, а также увеличения мощности двигателя на единицу веса за счет увеличения числа рабочих ходов до 3 за два оборота его вала.

Этот результат достигается благодаря тому, что роторно-поршневой ДВС содержит: корпус с цилиндрической рабочей полостью, ротор с тремя поршнями, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, торцевые крышки корпуса с подшипниками для вала двигателя, пару впускных и пару выпускных клапанов, свечу зажигания или форсунку и два клапана для охлаждающей и смазывающей жидкости.

Кроме того, ротор выполнен в виде монолитного цилиндра. Внутри ротора выполнены сквозной канал вдоль его оси, а по радиусам три прямоугольные щели под углом 120^o друг к другу. 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 равно 120^o по отношению друг к другу, а угловое положение окон в паре впускных или выпускных равно 60^o, также по отношению друг к другу.

Отличительными признаками изобретения являются: третий поршень, два клапана для охлаждающей и смазывающей жидкости, форма выполнения ротора в виде монолитного цилиндра с центральным каналом и радиальными щелями, форма выполнения поршней и их расположение на роторе, вторые впускающие и выпускающие клапана и несоосное расположение ротора в рабочей полости корпуса.

Конструкция двигателя и его работа поясняются чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение корпуса двигателя, лежащее в плоскости, в которой расположены впускные и выпускные клапана; на фиг. 2 - продольное сечение корпуса по линиям A-B-C (фиг. 1); на фиг. 3-5 представлены диаграммы фаз газораспределения в первом, втором и третьем цилиндрах за рабочий цикл двигателя (два оборота вала), номера цилиндров указаны на торце ротора фиг. 1; на фиг. 6 диаграммы фаз газораспределения относительно распределительного вала, цифрами обозначены номера впускных и выпускных клапанов; на фиг. 7 и 8 профили кулачков распределительного вала для первого и второго впускных клапанов; на фиг. 9 и 10 профили кулачков распределительного вала для первого и второго выпускных клапанов; на фиг. 11 - профиль кулачков системы зажигания двигателя, обеспечивающих зажигание в конце такта сжатия в каждом из трех цилиндров.

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

Корпус 1 двигателя выполняется из металла, например, из чугуна или алюминиевого сплава.

Рабочая полость 2 может быть выполнена из серого чугуна или стали.

Торцевые крышки 3 могут быть выполнены из чугуна или алюминиевого сплава.

Подшипники 4 могут быть выполнены из стали или чугуна.

Вал двигателя 5 может быть выполнен из чугуна или стали.

Свеча или форсунка 11 применяются выпускаемые промышленностью.

Ротор 12 выполняется из чугуна или стали.

Поршни 13 изготавливаются из 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 могут быть выполнены из стали.

Описание роторно-поршневого ДВС в статике.

Конструкция роторно-поршневого ДВС содержит: корпус 1 двигателя, ротор 12 с поршнями 13, механизм газораспределения, системы питания, зажигания (для карбюраторных ДВС), смазочную, 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 торцевые крышки 3 с подшипниками 4 для вала 5 двигателя. Кроме того, 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 парами впускного и выпускного окон равно 120^o, а между каждой парой впускных и выпускных окон 60^o. Отверстие для свечи зажигания (форсунки) выполнено между одной парой впускного и выпускного окон.

Ротор 12 с тремя поршнями 13 служит для преобразования возвратно поступательного движения поршней во вращательное движение вала ротора, который является валом 5 двигателя. Ротор выполнен в виде монолитного цилиндра. Внутри ротора и вала выполнен сквозной канал 14 для охлаждающей и смазывающей жидкости. В подшипниках 4 выполнены кольцевые канавки 15 и сквозное отверстие 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 три прямоугольные щели, под углом 120^o друг к другу, насквозь до канала 14 ротора.

Поршни 13 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 торцевых крышек с возможностью вращения, так что оси ротора и рабочей полости параллельны и не совпадают. 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 три рабочих цилиндра, каждый из которых ограничен частью поверхности ротора, между парой пластин, поверхностью пластин 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 полости, когда пара поршней находится на угловом расстоянии 60^o от плоскости, в которой лежат оси ротора и рабочей полости.

Механизм газораспределения осуществляет своевременный впуск в цилиндры двигателя горючей смеси или воздуха и выпуск наружу отработавших газов. Он состоит из распределительного кулачкового вала 18, шестерен 19 и 20 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 клапана в закрытом состоянии.

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

Система зажигания карбюраторного двигателя предназначена для принудительного воспламенения горючей смеси от электрической искры. У дизелей 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.

Система охлаждения ротора предназначена для отвода тепла от ротора и смазки его трущихся частей. Она содержит: резервуар для масла, насос для охлаждающей и смазывающей жидкости, радиатор, фильтры, трубопроводы для жидкости и два клапана 17.

Насос образован каналами 14, отверстиями 16, канавками 15, внутренними концами пластин, выполняющими функцию поршней насоса и двумя клапанами 17.

Система охлаждения корпуса может быть выполнена воздушной или жидкостной. Воздушная система охлаждения содержит охлаждающие ребра и вентилятор с приводом; жидкостная содержит водяную рубашку, насос и радиатор.

Описание работы двигателя
Порядок смены тактов в цилиндрах двигателя за два оборота вала приведен в таблице.

При запуске двигателя путем проворачивания его вала слева на право (фиг. 1) правые клапана 22 и 23 являются впускными, а левые 24 и 25 выпускными. При первом полуобороте вала первый впускной клапан 22 открыт от 0 до 60^o поворота вала, второй впускной клапан 23 открыт от 60 до 180 поворота вала. Первый выпускной клапан 24 открыт от 0 до 120^o поворота вала, а второй - 25 открыт от 120 до 180^o поворота вала. В первом цилиндре идет впуск, во втором выпуск, а в третьем рабочий ход. Зажигание в третий цилиндр было подано в такте сжатия, за несколько градусов до окончания такта сжатия (см. фиг. 11).

При втором полуобороте вала первый впускной клапан открыт от 180 до 240^o, а второй от 240 до 360^o. Первый выпускной клапан открыт от 180 до 300^o, а второй от 300 до 360^o. В первом цилиндре идет сжатие рабочей смеси, во втором впуск, а в третьем выпуск.

При третьем полуобороте вала первый впускной клапан открыт при углах 360-420^o, второй 420-540^o. Первый выпускной клапан открыт при углах 540-660^o, второй клапан закрыт. В первом цилиндре идет рабочий ход, во втором сжатие, а в третьем впуск. Воспламенение рабочий смеси в первом цилиндре произошло еще в такте сжатия, за несколько градусов до его окончания (см. фиг. 11).

При четвертом полуобороте вала открыт только второй выпускной клапан при углах 660-720^o. В первом цилиндре идет выпуск, во втором рабочий ход, а в третьем сжатие. Воспламенение рабочей смеси во втором цилиндре произошло еще в такте сжатия, за несколько градусов до его окончания (см. фиг. 11). Первый цикл работы двигателя закончен. Каждый цилиндр из трех 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 закончен такт сжатия (см. фиг. 1), 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 жидкость, охлаждая и смазывая его и пластины.

Использование: двигателестроение, в частности роторно-поршневые двигатели. Сущность изобретения: роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с цилиндрической рабочей полостью, цилиндрический, монолитный ротор с тремя поршнями, установленный в полости корпуса так, что их оси параллельны и не совмещены, торцевые крышки корпуса с подшипниками для вала ротора, с которого снимается мощность, две пары впускных и выпускных клапанов и систему охлаждения и смазки ротора с поршнями. По оси ротора выполнен канал, а по его радиусам, параллельно оси выполнены сквозные до канала три щели под углом 120^o друг к другу. 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 подшипниках выполнены каналы для охлаждающей и смазывающей жидкости, которые с каналом ротора образуют сквозной канал, ко входу которого присоединен выход клапана системы жидкостного охлаждения и смазки, а к выходу - вход другого клапана этой системы. 11 ил. 1 табл.

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 для 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 двумя клапанами системы жидкостного охлаждения ротора и поршней, которая совмещена с системой их смазки, дополнительными впускным и выпускным клапанами и третьим поршнем, 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 выполнены сквозные до канала три щели под углом 120^o одна к другой, поршни выполнены в виде свободных концов прямоугольных пластин, которые с минимальными зазорами размещены в щелях ротора с возможностью перемещения, причем продольные оси рабочей полости и ротора параллельны и не совмещены, 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, к входу которого присоединен выход клапана системы жидкостного охлаждения и смазки, а к выходу вход другого клапана этой системы.