РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания с ротором совершающим плоско-параллельное движение и предназначено для использования, например, на транспорте.

Известны роторные двигатели внутреннего сгорания, состоящие из корпуса и ротора с тремя вершинами. Внутри ротора установлена шестерня с внутренним зацеплением, которая обкатывается на неподвижной шестерне при этом, каждая из вершин ротора описывает двухдуговую эпитрохоиду по которой выполнена рабочая поверхность корпуса. С другой стороны ротора расположен вал с эксцентриком, на котором создается крутящий момент. Описание двигателя приводится (Бениович В.С., Апазиди Г.С., Бойко А.М., Рото-поршневые двигатели, М., Машиностроение, 1968, с. 6).

Двигатель характеризуется большой литровой мощностью, простотой, малыми габаритными размерами и массой, хорошей уравновешенностью. Основные недостатки: несовершенное уплотнение камер сгорания и отвод тепла от поршня - ротора.

Некоторые недостатки устраняются в двигателе внутреннего сгорания, описанном в: Акатов Е.И., Бологов В.С., Горбатый В.К., Ячевский Г.Л., Судовые роторные двигатели, Л., Издательство судостроение, 1967, стр. 30 и Маджуга Г.С., Подойницын В.X., Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, М., Издательство "Знание", 1969, с.23.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус и ротор, выполненные по дугам окружности с радиусами, разность которых равна эксцентриситету двух параллельных эксцентриковых синхронно вращающихся валов на которых установлен ротор и оси которых совпадают с осями рабочих поверхностей корпуса, с возможностью образования за один оборот валов двух периодически замкнутых камер сгорания.

Для разделения рабочих объемов служит заслонка, перемещающаяся в роторе. Для разграничения тактов двигатель имеет две ступени. В подготовительной ступени происходит всасывание и сжатие горючей смеси, которая через перепускные окна подается в камеру сгорания основной ступени и воспламеняется свечой зажигания. Уплотнение торцевых поверхностей ротора обеспечивается концентрическими лабиринтовыми канавками. Уплотнение цилиндрических поверхностей ротора не требуется, исходя из последовательного контакта поверхности ротора и корпуса. В двигателе ротор и заслонки постоянно находятся в среде раскаленных газов, что вызывает повышенный их перегрев. Охлаждение ротора маслом через каналы в валах не дает положительного эффекта, т.к. масло пригорает и закоксовывается на внутренних стенках ротора, ухудшая теплообмен.

Задачей данного изобретения является упрощение конструкции, снижение трения, повышение долговечности и надежности двигателя. Предложен двигатель, в котором поверхности ротора и корпуса выполнены в виде двух цилиндрических поверхностей, пересекающихся по образующим с радиусами, разность которых равна эксцентриситету валов, так что за один оборот валов поверхностью корпуса и ротора образуются две периодически замкнутые камеры сгорания.

С целью сжатия заряда и полного сгорания с повышением давления после впрыска топлива и принудительного воспламенения горючей смеси при постоянном объеме, и совершения рабочего хода за счет использования кинетической энергии рабочих газов в момент размыкания камеры сгорания и истечения рабочих газов из камеры сгорания в рабочую камеру, расстояние между осями эксцентриковых валов L находится в пределах 2R > L > R и оптимально составляет 1,414 R, что соответствует углу замкнутого состояния камеры сгорания, равному 90^oC.

Из существующего уровня техники известно, что линейная скорость движения поршня должна соответствовать многим противоречивым требованиям. В шатунно-кривошипных двигателях увеличение числа оборотов приводит к увеличению мощности двигателя, но одновременно не позволяет полностью использовать энергию рабочих газов и увеличивает трение или увеличивает динамические нагрузки в длинноходных двигателях. В роторных двигателях при увеличении скорости движения ротора, увеличивается задержка воспламенения горючей смеси с последующим догоранием заряда на ходе расширения. Линейная скорость ротора ограничивается 25 - 30 м/сек, т.к. дальнейшее ее увеличение вызывает повышенные износы за счет увеличения трения. В предлагаемом двигателе каждая точка ротора совершает вращательное движение с радиусом равным эксцентриситету валов. При эксцентриситете равном 0,03 м и при числе оборотов 6000 об/мин линейная скорость движения ротора составляет 3 м/сек., что на порядок ниже, чем в существующих роторных двигателях. При такой скорости движения ротора уменьшается задержка воспламенения горючей смеси. Повышение давления успевает произойти за период замкнутого состояния камеры сгорания. Высокая динамика роста давления не вызывает жесткой работы двигателя, т.к. результирующая сила от давления газов направлена по касательной к радиусу вращения эксцентриковых валов. Улучшение динамики и полноты сгорания горючей смеси достигается за счет процесса смесеобразования при котором происходит перетекание заряда из одной уменьшающейся серповидной камеры в увеличивающуюся переднюю по ходу вращения серповидную камеру. Вследствии этого пламя выносится вперед, схватывая большую часть заряда. При скоростях распространения фронта пламени равных 15 - 40 м/сек., которые меньше скорости ротора, происходит динамичное повышение давления в камере сгорания, что дает возможность работы двигателя на обедненных горючих смесях.

При степени сжатия равной 3,65 уменьшаются потери на сжатие, а повышение плотности заряда производится за счет механического наддува, предварительно сжатым в компрессоре воздухом. Рабочий ход происходит за счет истечения газов из камеры сгорания в рабочую камеру, который можно разделить на три фазы. В первой фазе перепад давлений в камере сгорания и рабочей камере расходуется не полностью, расход газов и скорость максимальные. Часть энергии расходуется на повышение температуры рабочих поверхностей рабочей камеры. Во второй фазе перепад давления расходуется полезно, расход и скорость достигает максимальных значений. Давление в рабочей камере составляет половину давления в камере сгорания. В третьей фазе весь перепад давлений расходуется полезно, происходит перевод потенциальной энергии в кинетическую. В конце этой фазы давления в камере сгорания и рабочей камере уравниваются.

Конструкция двигателя позволяет в качестве рабочего тела использовать сжатые газы и пар, которые непосредственно подаются в камеру повышения давления (камера сгорания).

На фиг. 1 показано изображение ротора в корпусе в аксонометрии; на фиг. 2 изображен двигатель в момент продувки камеры сгорания; на фиг. 3 двигатель в момент замыкания камеры сгорания; на фиг. 4 двигатель с ротором в верхней мертвой точке; на фиг. 5 двигатель в момент размыкания камеры сгорания и начале истечения рабочих газов; на фиг. 6 поперечный разрез двигателя.

В неподвижном корпусе 1 с внутренней поверхностью в виде двух цилиндрических поверхностей, пересекающихся по образующим, размещен ротор 2 с эквидистантной поверхностью на двух параллельных эксцентриковых валах - ведущем 3 и дополнительном 4. Оси валов совпадают с центрами описанных окружностей корпуса 1. Эксцентриковые валы 3 и 4 установлены на скользящих подшипниках в передней 5 и задней 6 крышках. В роторе 2 выполнены углубления 7 для камер сгорания. На боковых поверхностях ротора 2 по концентрическим окружностям выполнены лабиринтные канавки 8. В корпусе 1 на пересечениях цилиндрических поверхностей вдоль малой оси противоположно с обеих сторон установлены рядом по одной форсунке 9 и свече накаливания 10. На концах длинной оси двигателя по касательной к внутренней поверхности корпуса выполнены продувочные каналы 11 и 12, а также выпускные каналы 13 и 14. На ведущем валу 3 установлен маховик 15. Охлаждение корпуса 1 двигателя производится по каналам 16 рубашки охлаждения.

Двигатель работает следующим образом.

При запуске двигателя раскруткой маховика 15 стартером приводится во вращение ведущий вал 3, при этом ротор 2 двигаясь на двух валах 3 и 4 совершает плоско-параллельное движение. В положении ротора 2, показанном на фиг. 2 через канал 11 производится продувка и наполнение камеры сгорания "А" воздухом, предварительно сжатым в компрессоре, приводимым в действие дополнительным валом 4. Остаточные газы выводятся через каналы 13 и 14. Сжатие заряда в камере сгорания "А" начинается в положении ротора 2, показанном на фиг. 3. В рабочей камере "Б" в это время производится удаление остаточных газов по каналам 13 и 14 в атмосферу. Сжатие заряда производится до положения ротора в верхней мертвой точке, показанном на фиг. 4. В этом положении с учетом угла опережения впрыска топлива производится впрыск в камеру сгорания через форсунку 9 с одновременным воспламенением горючей смеси свечой накаливания 10. В это время в рабочей камере продолжается удаление остаточных газов, но уже через канал 12. Интенсивное смесеобразование в камере сгорания "А" происходит за счет перепускания смеси из правой серповидной полости в левую по ходу вращения. Свеча накаливания 10 служит для улучшения воспламенения горючей смеси в период запуска и прогрева двигателя. Повышение давления и температуры заряда в момент воспламенения горючей смеси при степени сжатия 3,65 достигается за счет давления наддува предварительно сжатым в компрессоре воздухом. Малая скорость движения ротора, интенсивное смесеобразование сокращает период задержки воспламенения заряда. Сгорание горючей смеси и повышение давления в камере сгорания происходит до момента размыкания камеры сгорания в положении, показанном на фиг. 5. С этого момента начинается истечение рабочих газов через плоскую щель в точке "B" со звуковой скоростью. Истечение газов происходит в рабочую камеру "Б" и через каналы 13 и 14 выходят в атмосферу. В этот момент подача воздуха в рабочую камеру прекращается. Давление, действующее на ротор, равно разности давлений в камере сгорания и рабочей камере. Крутящий момент на эксцентриковых валах создается от усилия передаваемого ротором на плечо, равное эксцентриситету валов. В положении ротора, соответствующем показанному на фиг. 2, но при движении ротора к нижней мертвой точке начинается продувка нижней камеры сгорания через канал 12.

При дальнейшем движении ротора 2 к нижней мертвой точке рабочий процесс повторяется аналогично описанному ранее.

Для полного сгорания горючей смеси до момента размыкания камеры сгорания расстояние между осями эксцентриковых валов L выбирается в пределах 2R > L > R и оптимально составляет 1,414 R, что соответствует углу замкнутого состояния камеры сгорания равному 90^oC. Эксцентриситет валов рассчитывается так, чтобы объем рабочей камеры соответствовал полному расширению газов.

Использование: двигатель с ротором, совершающим плоско-параллельное движение, предназначенный для использования, например, на транспорте. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус и ротор, установленный на двух параллельных эксцентриковых валах, вращающихся синхронно. Поверхности корпуса и ротора выполнены в виде двух цилиндрических поверхностей, пересекающихся по образующим, с радиусами, разность которых равна эксцентриситету валов, так что за один оборот валов поверхностью корпуса и ротора образуются две периодически замкнутые камеры сгорания. Расстояние между осями валов рассчитывают так, что за период замкнутого состояния в камере сгорания происходит сжатие, полное сгорание с повышением давления при постоянном давлении заряда и совершение рабочего хода за счет истечения газов из камеры сгорания в рабочую камеру в момент размыкания камеры сгорания. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус и ротор, выполненные по дугам окружностей с радиусами, разность которых равна эксцентриситету двух параллельных эксцентриковых синхронно вращающихся валов, на которых установлен ротор, и оси которых совпадают с осями рабочих поверхностей корпуса, с возможностью образования за один оборот валов двух периодически замкнутых камер сгорания, отличающийся тем, что поверхности ротора и корпуса выполнены в виде двух цилиндрических поверхностей, пересекающихся по образующим, так что замкнутые камеры образованы поверхностью корпуса и ротора. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между осями эксцентриковых валов L находится в пределах 2R > L > R и оптимально составляет 1,414R, что соответствует углу замкнутого состояния камеры сгорания, равному 90^o.