РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано на транспорте.

Известный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с двумя пересекающимися между собой кольцевыми цилиндрами, двумя диаметрально расположенными камерами сгорания и двумя каналами впуска и выпуска, парами расположенными в цилиндрах, механизм синхронизации выходного вала с поршнями состоит из вала и зубчатых колес [1]
Недостатком данного устройства является малая цикличность работы двигателя за один оборот вала, некомпактность и сложность конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с двумя пересекающимися между собой кольцевыми цилиндрами и размещенными в них двумя поршнями, двумя диаметрально расположенными камерами сгорания и двумя камерами впуска и выпуска, парами расположенными в цилиндрах, выходной вал и механизм синхронизации поршней, состоящий из двух шарниров, каждый из которых имеет цилиндрический палец и диск со сквозным отверстием, ось которого перпендикулярна продольной оси цилиндрической части, в корпусе выполнены сферическая полость и два сквозных диаметральных канала с коническими внутренними участками, выходной вал выполнен с центральной сферической частью, с двумя оппозитно-расположенными коническими и двумя цилиндрическими участками, в центральной сферической части выходного вала выполнен сквозной паз, наклонный к оси вала, а перпендикулярно пазу сквозное отверстие, в котором расположен цилиндрический палец [2]
Недостатком известной конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания является недостаточная эффективность работы преобразующего механизма, не обеспечивающего высокой цикличности за один оборот выходного вала и мощности двигателя, а также невозможность достижения хорошей сбалансированности преобразующего механизма, развитая поверхность камер сгорания увеличивает тепловые потери и снижает КПД двигателя.

Целью изобретения является повышение удельной мощности, увеличение крутящего момента, экономичности двигателя и улучшение сбалансированности механизма.

Поставленная цель достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с двумя пересекающимися кольцевыми цилиндрами и размещенными в них дугообразными поршнями, камеры сгорания, выходной вал, расположенный в полости корпуса, имеющий центральную сферическую часть и соединенный с поршнями с помощью шарниров, в цилиндрах размещены четыре поршня, на центральной сферической части выходного вала выполнены четыре наклонных паза под углом к продольной оси выходного вала и под углом друг к другу, каждый из четырех шарниров состоит из секторной части, размещенной в соответствующем пазу на сферической части выходного вала и цилиндрического пальца, соединенного с одним из поршней, причем камеры сгорания расположены в углублениях секторных частей шарниров.

На фиг. 1 показан двигатель; на фиг. 2 а, б, в, г, д детали двигателя; на фиг. 3 продольный разрез корпуса двигателя; на фиг. 4 верхнее перекрестие цилиндров двигателя; на фиг. 5 нижнее перекрестие цилиндров двигателя; на фиг. 6 устройство преобразующего механизма; на фиг. 7 - принципиальная схема работы двигателя в начале и в конце рабочих процессов.

Двигатель содержит разъемный корпус 1 (фиг. 1, 3), состоящий из четырех частей 2-5, соединенных между собой болтами. В корпусе 1 размещены два пересекающихся между собой кольцевых цилиндра 6, 7, имеющих в поперечном сечении форму усеченного сектора 8, меньшее основание которого обращено к центру, разъемы частей двигателя проходят по направляющим канавкам 9 осей кольцевых цилиндров 6, 7, плоскость, проходящая по точкам пересечения осей кольцевых цилиндров 6, 7 через продольную ось выходного вала, делит кольцевые пересекающиеся цилиндры с одной стороны плоскости на холодные полости BDE (фиг. 7), где происходят попеременно такты впуска и сжатия, а по другую сторону плоскости горячие полости CFA, где происходят попеременно такты рабочего хода и выпуска отработанных газов. В верхнем перекрестии кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 на внутренних сферических поверхностях холодных BD и горячих CF полостей выполнены четыре газовые канавки 10 (фиг. 3) и два отверстия 11 под корпус обратного воздушного клапана на удлиненных боковых поверхностях в горячих полостях CF. В нижнем перекрестии кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 в направляющих кольцевых канавках 9 выполнены пять спускных масляных канала 12 (фиг. 1, 7), по центру корпуса 1 двигателя внутри выполнена полость 13 под выходной вал с центральной сферической поверхностью 14 и двумя диаметрально противоположными коническими участками 15, на поверхностях которых выполнены по одной кольцевой масляной канавке 16 (фиг. 1, 3). К нижней части кольцевых масляных канавок 16 примыкают впускные масляные камеры 17, а к верхней части с торцов цилиндрических участков 15 примыкают нагнетательные масляные камеры 18 с отводными масляными нагнетательными каналами 19, впускные и нагнетательные масляные камеры 17, 18 выполнены в виде секторов, при этом нагнетательные камеры имеют сужения в средней части сектора. В верхней части корпуса 1 выполнены два отверстия 20 под свечи зажигания (фиг. 1), окна впуска 21 и выпуска 22 расположены на удлиненных боковых стенках кольцевых цилиндров 6, 7 в нижнем перекрестии кольцевых пересекающихся цилиндров и попарно сообщаются с камерами впуска 23 и выпуска 24 (фиг. 5). В кольцевых пересекающихся цилиндрах размещены четыре пустотелых дугообразных поршня 25 (фиг. 2, 6, 7) с профилем поперечного сечения кольцевых пересекающихся цилиндров, дугообразные поршни 25 имеют боковые 26, торцовые 27, 28, внутренние 29 и внешние 30 сферические поверхности, на внешних сферических поверхностях 30 дугообразных поршней 25 выполнены по одному направляющему бурту 31 с продольной масляной канавкой 32, из которой выходят два масляных канала 33 в полости 34 дугообразных поршней 25, а также мелкие масляные каналы 35 и по две газовые камеры 36. На конечных частях боковых поверхностей 26 дугообразных поршней 25 выполнены также мелкие каналы 37, расположенные на одной линии в радиальном направлении, а на внутренних сферических поверхностях 29 дугообразных поршней 25 выполнены по одному несквозному цилиндрическому отверстию 38 с двумя сквозными каналами 39 во внутренние полости 34 поршней 25, четыре шарнира 40 (фиг. 2, 6), каждый из которых имеет пустотелый цилиндрический палец 41 и сектор 42 с углублением 43 и со сквозным масляным каналом 44, выходящий через два окна 45 пустотелого цилиндрического пальца 41, шарнирно соединены при помощи цилиндрических пальцев 41 и цилиндрических отверстий 38 с дугообразными поршнями 25 (фиг. 2, 4, 5). При этом сквозные каналы 39, выходящие из цилиндрических отверстий 38, и выходящие окна 45 из пустотелых цилиндрических пальцев 41 образуют вместе четыре разобщителя 46 полостей, выходной вал 47 пустотелый (фиг. 2, 6) и выполнен с центральной сферической поверхностью 48 и двумя оппозитно расположенными коническими участками 49, сопряженными с внутренней поверхностью полости 13 (фиг. 3), на центральной сферической поверхности 48 выходного вала 47 выполнены четыре наклонных паза 50 под углом друг к другу и под углом к продольной оси выходного вала 21^o 30', соединенных попарно каналами 51, а также выполнены четыре впускных масляных отверстия 52 в полость выходного вала 47 через 90^o друг от друга и четыре выпускных отверстия 53 из полости выходного вала 47, расположенных парами на 180^o на поверхностях конических участков 49 выходного вала 47, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90^o (фиг. 2). В наклонных пазах 50 размещены секторы 42 шарниров 40, полости G в наклонных пазах 50 со стороны торцов 54 секторов 42 шарниров 40 вместе с объемами полостей углублений 43 и каналов 51 образуют четыре камеры сгорания 55, а со стороны торцов 56 секторов 42 шарниров 40 масляные полости K, имеющие окна 57 с торцовых сторон конических участков 49 выходного вала 47 (фиг. 2), которые вместе с впускными камерами 17 и нагнетательными камерами 18 образуют два масляных распределителя 58 по очередному сообщению камер 17 впуска и камер 18 нагнетания с полостями K (фиг. 1). В нижней части корпуса 1 двигателя расположен масляной бачок 59 с двумя патрубками, впускной патрубок 60, объединенный с маслоналивным патрубком (выпускной патрубок 81 подсоединен к камере 24 выпуска отработанных газов), и маслоприемный канал 62 с обратным масляным клапаном 63 (фиг. 1).

Воздушная система запуска двигателя содержит баллон со сжатым воздухом, редуктор, магистральный трубопровод, кран запуска, два ответвления трубопроводов 63, соединенные с двумя корпусами обратных воздушных клапанов 64, и два впускных отверстия 11 (фиг. 4).

Устройство работает следующим образом.

При взаимодействии четырех вращающихся дугообразных поршней 25 (фиг. 7) внутри двух пересекающихся кольцевых цилиндров 6, 7 между торцовыми 27, 28 и боковыми 26 поверхностями дугообразных поршней 25 образуется шесть полостей ABCDEF, меняющихся по своему объему и соответствующих одновременным повторяющимся процессам впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска отработанных газов, в результате чего за один оборот выходного вала вместе с поршнями совершается четыре четырехтактных цикла, перекрывая друг друга со сдвигом по фазе на 48^o (фиг. 7). Двигатель может работать как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием, при вращении дугообразных поршней 25 внутри пересекающихся кольцевых цилиндров 6, 7 за один оборот выходного вала 47 сектора 42 четырех шарниров 40 (фиг. 2, 6) совершают в наклонных пазах 50 выходного вала 47 возвратно-поступательное движение, где в полостях G происходят также четырехтактные циклы впуска, сжатия рабочей смеси, рабочего хода и выпуска отработанных газов с отставанием от основных рабочих циклов по фазе на 48^o, а в полостях K впуск и нагнетание масла через окна 57, смазывая трущиеся детали и охлаждая выходной вал 47, шарниры 40 и дугообразные поршни 25. Впуск горючей смеси (или воздуха Дизель) происходит под действием дугообразного поршня 25 (фиг. 5, 7) и сектора 42 шарнира 40 через впускное окно 21. Такт сжатия начинается в рабочей полости B (фиг. 4, 7) после перекрытия дугообразным поршнем 25 впускного окна 21 продолжительностью 135^o поворота дугообразного поршня вместе с сектором 42 шарнира 40 и в полости G выходного вала 47 (фиг. 2, 6). Сжимаемая рабочая смесь (или воздух Дизель) из рабочей полости B и полости G вытесняется через перепускной канал 51 (фиг. 2, 7) в камеру сгорания 55, улучшая смесеобразование, рабочий ход начинается в полости C (фиг. 4, 7) после воспламенения рабочей смеси в камере сгорания 55, газы одновременно из полости 6 полностью вытесняются торцом 54 сектора 42 шарнира 40 в рабочую полость C за 48^o поворота поршня, уменьшая объем камеры сгорания 55 и повышая индикаторное давление. После чего при обратном движении сектора 42 шарнира 40 сила газов, действующая на торец 54 сектора 42 шарнира 40, дополнительно увеличивает крутящий момент на выходном валу 47 до конца рабочего хода. Такты рабочего хода происходят каждые 90^o поворота выходного вала вместе с дугообразными поршнями продолжительностью 130^o, перекрывая друг друга по фазе на 48^o без провалов в крутящем моменте на выходном валу, повышая плавность работы двигателя и равномерность нагрузки на выходной вал.

В начале рабочего хода в полости C (фиг. 7) в период расхождения поршней 37^o сила газов действует на меняющиеся площади торцовых поверхностей 27, 28 дугообразных поршней 25 в рабочей полости F, поворот выходного вала в направлении вращения в этот период осуществляется за счет разности площадей торцовых поверхностей 27, 28 двух движущихся дугообразных поршней 25 и от действия дугообразного поршня начинающегося рабочего хода в другой рабочей полости C. Выпуск отработанных газов происходит из полости A (фиг. 5, 7) под действием дугообразного поршня 25 через выпускное окно 22, впускные окна 21 закрываются дугообразными поршнями 25 в тактах сжатия, переходя нижнее перекрестие осей кольцевых цилиндров 41^o-45^o, а выпускные окна 22 открываются в тактах рабочего хода дугообразными поршнями 25, не доходя нижнего перекрестия осей кольцевых цилиндров 45^o-50^o, исходя из наилучших экспериментальных данных при испытании двигателя.

При работе двигателя устройство преобразующего механизма двигателя обеспечивает контактирование торцовых поверхностей 27, 28 дугообразных поршней 25 в период их схождения и расхождения в верхнем перекрестии кольцевых цилиндров 6, 7, при этом угловые скорости движения дугообразных поршней 25 относительно равномерного движения выходного вала 47 меняются каждые 180^o со сдвигом по фазе 8^o на уменьшение или увеличение угловой скорости. Угловые скорости дугообразных поршней 25 и выходного вала 47 равны тогда, когда пальцы 41 шарниров 40 находятся вместе с дугообразными поршнями 25 в точках пересечений осей кольцевых пересекающихся цилиндров двигателя (фиг. 4, 5). При движении дугообразных поршней 25 на 360^o происходит возвратно-вращательное движение дугообразных поршней вокруг осей цилиндрических пальцев 41 шарниров 40 на 56^o по часовой и против часовой стрелки, угол поворота дугообразных поршней 25 вокруг оси пальца всегда равен углу пересечения осей кольцевых пересекающихся цилиндров 56^o. Это движение использовано для автоматического разобщения и сообщения масляных внутренних полостей 34 дугообразных поршней с масляными полостями K разобщителями 46 (фиг. 4, 5), а также для обеспечения нормальной смазки поверхностей кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 и предотвращения вытекания масла из внутренних масляных полостей 34 дугообразных поршней 25 через мелкие масляные каналы 37 в рабочие полости BDCF. При работе двигателя выходной вал 47, шарниры 40 и дугообразные поршни 25 охлаждаются водой, находящейся в рубашке корпуса 1 двигателя, при контакте их поверхностей с внутренними поверхностями корпуса 1 двигателя и маслом, которое засасывается в масляные полости K секторами 42 шарниров 40 каждые полоборота дугообразных поршней 25, находящихся в верхней половине кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 (фиг. 1, 4, 7), при отключенных разобщителях 46 полостей, из масляного бачка 59 через маслоприемный канал 62 с обратным масляным клапаном 63 в пустотелый выходной вал 47 через впускные отверстия 52, из которого масло выходит через выпускные отверстия 53 в масляные кольцевые канавки 16 и во впускные масляные камеры 17 масляных распределителей 58, а нагнетается масло из полостей K также секторами 42 шарниров 40 каждые полоборота дугообразных поршней 25, находящихся в нижней половине кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 (фиг. 5, 7) при включенных разобщителях 46, в нагнетательные камеры 18, откуда через нагнетательные каналы 19 в радиатор, фильтр очистки масла и в масляной бачок 59. Во время нагнетания масла с запаздыванием в 40^o поворота дугообразных поршней, когда масляные канавки 32 в направляющих буртах 31 дугообразных поршней совмещаются с масляными каналами 12, расположенными в направляющих кольцевых канавках 9 (фиг. 3) нижнего перекрестия кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 (фиг. 2, 7), происходит параллельное нагнетание масла 100^o поворота дугообразных поршней 25 из полостей K через сквозные масляные каналы 44 шарниров 40, через включенные разобщители 46 в масляные внутренние полости 34 дугообразных поршней 25, откуда через масляные каналы 33 в масляные канавки 32, расположенные на направляющих буртах 31 дугообразных поршней 25 и через каналы 12, находящиеся в нижнем перекрестии кольцевых пересекающихся цилиндров 6,7, в масляной бачок 59. После разобщения масляных канавок 32 на направляющих буртах 31 дугообразных поршней 25 с каналами 12, расположенными в нижнем перекрестии кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7, нагнетание масла прекращается и масло опять 40^o поворота дугообразных поршней продолжает нагнетаться из полостей K в нагнетательные каналы 19. Параллельному нагнетанию масла способствуют зауженные поперечные сечения нагнетательных масляных камер 18 в средней части сектора 100^o, которые увеличивают сопротивление прохода масла в нагнетательные каналы 19 (фиг. 1).

При смазке трущихся поверхностей дугообразных поршней 25 о стенки кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 использовано капиллярное явление смазки через мелкие масляные каналы 35, 37, находящиеся на конечных частях сферических и боковых поверхностях 30, 26 дугообразных поршней 25 (фиг. 2, 4, 5). Масло из внутренних полостей дугообразных поршней впитывается по капиллярным каналам 35, 37 и выходит на трущиеся поверхности движущихся дугообразных поршней, оставляя масляный след на стенках кольцевых пересекающихся цилиндров. При очередном вхождении передних и задних частей дугообразных поршней 25 в рабочие полости BDCF верхнего перекрестия кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 открываются капиллярные каналы 37 на боковых поверхностях 26 дугообразных поршней 25, при этом давление при тактах сжатия и рабочих ходах предотвращает вытекание масла в рабочие полости и действует на масло через масляные капиллярные каналы 37, находящееся в замкнутых полостях 34 дугообразных поршней 25, которое поджимается к капиллярным масляным каналам 37 с противоположной боковой стороны частей дугообразных поршней, способствуя процессу смазки. При движении дугообразных поршней 25 в нижней половине кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 во время нагнетания масла смазка трущихся поверхностей осуществляется также через масляные капиллярные каналы 35, 37, находящиеся на сферических и боковых поверхностях 30, 26 дугообразных поршней 25.

Вентиляция масляного бачка от отработанных газов, проникших в полость масляного бачка 59 через каналы 12 (фиг. 1), происходит чистым воздухом, поступающим через фильтр впускного патрубка 60 затем в выпускной патрубок 61 и газовую камеру 24 выпуска отработанных газов. Вентиляция действует за счет разряжения в выпускном патрубке 61 при выходе отработанных газов из выпускной камеры 24 в атмосферу. В газовых камерах 36 (фиг. 9), находящихся на внешних сферических поверхностях 30 дугообразных поршней 25 в тактах сжатия и рабочего хода, с помощью перепускных канавок 10 (фиг. 3) над дугообразными поршнями 25 создается соответствующее давление, сила которого противодействует газовым силам, действующим на торцовые 27, 28 и боковые 26 поверхности дугообразных поршней 25, уменьшая силу трения сферических поверхностей 30 дугообразных поршней 25 о внутренние сферические стенки цилиндров корпуса двигателя.

Перекрытие тактов рабочего хода на 48^o в двух рабочих горячих полостях FC (фиг. 4, 7) обеспечивает надежный запуск двигателя от сжатого воздуха. Движущиеся дугообразные поршни 25 внутри кольцевых пересекающихся цилиндров 6, 7 являются золотниками по очередному открытию и закрытию впускных отверстий 11 в горячие рабочие полости FC. При открытых вентиле баллона и кране запуска сжатый воздух поступает по трубопроводу 63 в рабочую полость C 82^o поворота дугообразного поршня, затем впускное отверстие 11 закрывается боковой поверхностью 26 дугообразного поршня 25 и открывается впускное отверстие 11 другой рабочей полости F. После запуска двигателя закрываются кран запуска и вентиль баллона, а обратные клапаны 64 автоматически отключают систему запуска от рабочих полостей.

Удвоенное число дугообразных поршней и камер сгорания и перенос их в наклонные пазы выходного вала позволяют удвоить число рабочих циклов за один оборот выходного вала, повысить удельную мощность, крутящий момент, экономичность и сбалансированность преобразующего механизма двигателя.

Источники информации:
1. EP 0091975, кл. F 02 B 53/00, 1983.

2. Патент РФ N 1772375, кл. F 02 B 53/00, 1992.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: повышение удельной мощности, увеличение крутящего момента, экономичности двигателя и улучшение сбалансированности механизма достигается тем, что двигатель содержит разъемный корпус, в котором размещены два пересекающихся между собой кольцевых цилиндра, по центру корпуса двигателя, внутри выполнена полость под выходной вал, в кольцевых пересекающихся цилиндрах размещены четыре дугообразных поршня с профилем поперечного сечения кольцевых пересекающихся цилиндров, на внутренних сферических поверхностях поршней выполнены по одному несквозному цилиндрическому отверстию под пальцы четырех шарниров, каждый из которых состоит из пустотелого цилиндрического пальца и секторной части, на которой выполнены углубления, являющиеся основными частями объемов четырех камер сгорания. Выходной вал выполнен с центральной сферической поверхностью, на которой выполнены четыре наклонных паза под углом друг к другу и под углом к продольной оси выходного вала. 7 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с двумя пересекающимися кольцевыми цилиндрами и размещенными в них дугообразными поршнями, камеры сгорания, выходной вал, расположенный в полости корпуса, имеющий центральную сферическую часть и соединенный с поршнями с помощью шарниров, отличающийся тем, что в цилиндрах размещены четыре поршня, на центральной сферической части выходного вала выполнены четыре наклонных паза под углом к продольной оси выходного вала и под углом друг к другу, каждый из четырех шарниров состоит из секторной части размещенной в соответствующем пазу на сферической части выходного вала, и цилиндрического пальца, соединенного с одним из поршней, причем камеры сгорания расположены в углублениях секторных частей шарниров.