РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ АЛЕКСЕЕВА Российский патент 1999 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в силовых установках различного назначения как стационарных, так и в мопедах, мотоциклах, моторных лодках, а также в автомобилях.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ванкелем [1]. Двигатель содержит ротор, чаще всего имеющий трехгранную форму, размещенный внутри полости, профиль которой выполнен по эпитрохоиде. Ротор вращается на эксцентриковом валу, его грани скользят по поверхности, отсекая переменные объемы камер. Для уплотнения в вершинах граней устанавливаются подвижные пластины.

Недостатком указанного двигателя является сложность конструкции, обусловленная сложностью конфигурации внутренней полости, недолговечность из-за ненадежности уплотнения вращающегося ротора.

Наиболее близким техническим решением является роторный двигатель внутреннего сгорания [2].

Двигатель содержит корпус с цилиндрической полостью и камерой сгорания. Внутри полости расположен ротор с радиальными пазами, в которых размещены стаканы, установленные с возможностью радиального перемещения и поворота в цилиндрических сегментах и расположенные радиально к оси полости. Их цилиндрические днища имеют перепускные окна. Камера сгорания выполнена в корпусе в виде углубления, в котором размещен источник воспламенения. Ротор установлен таким образом, что его наружная поверхность находится в постоянном контакте с внутренней поверхностью корпуса, а вал установлен эксцентрично оси ротора и полости.

Недостатками известного двигателя являются сложность конструкции, недолговечность и невысокая экономичность.

Указанные недостатки обусловлены сочетанием следующей совокупности принятых технических решений, отрицательно влияющих на концепцию двигателя в целом.

Комбинация цилиндрического ротора как элемента преобразования энергии сгоревших газов в механическую на его выходном валу с целой системой расположенных внутри ротора стаканов, поршней, шатунов, цилиндрических сегментов, образующих в совокупности своей хорошо известную систему двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания в части подготовки топливной смеси, в той лишь разницей, что силовое воздействие от газов испытывает ротор, а не поршни, выполняющие в известном двигателе еще и роль подвижного уплотнения. Данное усложнение конструкции уменьшает КПД двигателя, а большое количество уплотнений отрицательно влияет на долговечность двигателя и его экономичность.

Поскольку ротор установлен таким образом, что его наружная поверхность находится в постоянном контакте с поверхностью корпуса до углубления (камеры сгорания) по ходу вращения ротора, то это место поверхности корпуса будет подвержено интенсивному износу за счет скольжения по нему ротора со скоростью значительно большей 15 м/с, причем конструкцией двигателя не предусматривается установка в этом месте уплотнения, что также уменьшает долговечность двигателя и ухудшает его экономичность.

Кроме того, симметрично расположенные относительно оси обе части цилиндрического ротора при вращении вокруг своей оси будут испытывать от воздействия давления газов взаимноуправновешивающие силы, и как следствие момент на валу будет целиком зависеть от воздействия части газов на площадь поперечного сечения стаканов при их выходе из ротора, максимальная величина которого составляет два эксцентриситета месторасположения корпуса, что так же ухудшает его экономичность.

Целью предполагаемого изобретения является упрощение конструкции, увеличение долговечности, повышение экономичности.

Сущность изобретения заключается в том, что в роторном двигателе, содержащем корпус с выполненной в нем цилиндрической полостью, вращающийся эксцентриковый вал с установленным на нем с возможностью вращения и постоянного контакта с поверхностью полости корпуса цилиндрическим ротором, контактирующий с торцами подвижных перегородок, источник воспламенения, размещенный в камере сгорания, согласно изобретению три постоянно подпружиненные относительно корпуса подвижные перегородки, торцы двух из которых имеют переменные поперечные сечения, направленные скосами в сторону, противоположную направлению вращения эксцентрикового вала, размещены в радиальных пазах корпуса, первая и вторая перегородки установлены с возможностью непрерывного контакта с цилиндрической поверхностью ротора, постоянно контактирующего в свою очередь при перекатывании с внутренней поверхностью полости корпуса и имеющего кольцевые подпружиненные уплотнения по торцам, при этом камера сгорания, расположенная диаметрально первой перегородке, имеет продольную форму, содержит два источника воспламенения и находится между второй и третьей перегородкой, имеющей возможность контакта с цилиндрической поверхностыо ротора, а выпускное и впускное отверстия расположены по обе стороны первой перегородки, причем выпускное отверстие находится за камерой сгорания по направлению вращения эксцентрикового вала.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что три постоянно подпружиненные относительно корпуса подвижные перегородки, торцы двух из которых имеют переменное поперечное сечение, направленное скосом в сторону, противоположную направлению вращения эксцентрикового вала, размещены в радиальных пазах корпуса, первая и вторая перегородки установлены с возможностью непрерывного контакта с цилиндрической поверхностью ротора, постоянно контактирующего в свою очередь при перекатывании с внутренней поверхностью полости корпуса и имеющего кольцевые подпружиненные уплотнения по торцам, при этом камера сгорания, расположенная диаметрально первой перегородке, имеет продолговатую форму, содержит два источника воспламенения и находится между второй и третьей перегородкой, имеющей возможность контакта с цилиндрической поверхностью ротора, а выпускное и впускное отверстия расположены по обе стороны первой перегородки, причем выпускное отверстие находится за камерой сгорания по направлению вращения эксцентрикового вала.

Цилиндрический ротор, имеющий возможность непрерывного контакта при перекатывании с внутренней поверхностью полости корпуса обеспечивает долговечность двигателя, так как трение качения пары деталей значительно меньше, чем трение скольжения, поэтому износ пары ротор-корпус будет минимальным. Кроме того, при перекатывании ротора по поверхности полости корпуса без проскальзывания все его торцевые точки будут перемещаться по гипоциклоидам и иметь при этом минимально возможную скорость перемещения относительно стенок корпуса, что упрощает требования к подбору материала и так же способствует повышению долговечности.

Причем определенное соотношение линейных размеров ротора и вала позволяют иметь максимальную скорость перемещения ротора относительно стенок корпуса не более 5-7 м/сек на оборотах до 10000 об/мин.

Наличие трех постоянно подпружиненных подвижных перегородок, не имеющих специального привода, увеличивает КПД двигателя и его экономичность. Кроме того, высокую экономичность двигателя определяет то, что в процессе осуществления фазы "рабочий ход" рабочее плечо эксцентрикового вала ротора увеличивается от минимального в начале фазы до максимального в конце, что в сочетании с увеличением площади поперечного сечения ротора при уменьшающемся давлении газов сгорания определяет стабильность момента на валу ротора в течение всей фазы "рабочий ход".

Отсутствие специального привода подвижных перегородок значительно упрощает конструкцию.

Пролонгированность фаз впуска и выпуска в течение всего рабочего цикла двигателя позволяет наилучшим образом подготовить рабочую смесь к сгоранию, а выпуск отработавших газов осуществить в режиме наименьшего шумового воздействия на окружающую атмосферу, что повышает экологическую чистоту двигателя.

Превышение максимального объема полости впуска над объемом рабочей полости приблизительно в 1,3 раза позволяет поднять плотность заряда рабочей смеси без применения дополнительных устройств, например турбонаддува, что повышает мощность и тепловой КПД двигателя без усложнения конструкции самого двигателя.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез роторного двигателя; на фиг. 2 - продольный разрез; на фиг. 3 - положение ротора, при котором осуществляются фазы: впуск, рабочий ход; выпуск; на фиг. 4 - положение ротора, при котором осуществляются фазы: впуск, сжатие, выпуск; на фиг. 5 - положение ротора, при котором осуществляются фазы: впуск, рабочий ход, выпуск; на фиг. 6 - положение ротора, при котором осуществляются фазы: впуск, рабочий ход, выпуск.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с цилиндрическим центральным отверстием 2, вращающийся эксцентриковый вал 3 отбора мощности, на котором на подшипниках 4 установлен ротор 5 цилиндрической формы. Ротор 5 за счет установки его на эксцентриковом валу 3 с эксцентриситетом, равным половине разности диаметров отверстия корпуса и ротора, имеет возможность перекатываться своей цилиндрической частью по центральному цилиндрическому отверстию 2, образующему вместе с двумя торцевыми крышками 6 и 7 внутреннюю цилиндрическую полость двигателя.

На концах эксцентрикового вала 3 с двух противоположных сторон укреплены маховики-противовесы 8 и 9, служащие для уравновешивания центробежных сил, возникающих вследствие вращения эксцентрикового вала 3 с ротором 5.

В трех радиальных пазах корпуса 1 между торцевыми крышками 6 и 7 установлены три подвижные перегородки 10, 11, 12, постоянно подпружиненные пружинами 13, 14, 15 в направлении ротора 5 с одного торца каждая. При этом первая и вторая перегородки 10 и 11 другим своим торцем постоянно контактируют с цилиндрической поверхностью ротора 5, а третья подвижная перегородка 12 входит в контакт с ней только в некоторый момент, определяемый положением ротора 5. Кроме того, вторая 11 и третья 12 перегородки имеют переменное сечение по торцам, и скосы торцев направлены в сторону, противоположную направлению вращения вала 3.

С двух сторон первой перегородки 10 находятся впускное 16 и выпускное 17 отверстия. Причем впускное отверстие 16 расположено после подвижной перегородки 10 по ходу вращения эксцентрикового вала 3.

Между второй 11 и третьей 12 подвижными перегородками диаметрально первой перегородке 10 расположена камера сгорания 18, выполненная в виде продольного углубления в корпусе 1. В камере сгорания 18 установлены две свечи зажигания 19. Наличие двух свечей, установленных в оптимальных для организации процесса сгорания смеси местах, способствует лучшему воспламенению смеси.

Подвижные перегородки 10, 11 и 12 при взаимодействии с перемещающимся ротором 5 делят внутреннюю цилиндрическую полость двигателя на камеры, в которых осуществляются фазы работы двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Двигатель имеет совмещенную с системой смазки систему охлаждения маслом, содержащие общий картер и смазочно-охлаждающие каналы (не показаны).

Для удаления избытка масла с внутренних поверхностей торцевых крышек 6 и 7 ротор 5 снабжен двумя кольцевыми уплотнениями 20 и 21, постоянно подпружиненными.

Двигатель работает следующим образом.

В любой момент времени в процессе работы двигателя и соответственно вращения эксцентрикового вала 3 с размещенным на нем ротором 5 существует линия контакта цилиндрической поверхности ротора 5 с внутренней цилиндрической поверхностью полости корпуса 1.

При перемещении линии контакта от первой подвижной перегородки 10 по часовой стрелке ротор 5 будет перекатываться без скольжения (за счет прижатия центробежной силой) по цилиндрической поверхности полости корпуса 1 и в некоторый момент времени линия контакта перейдет впускное отверстие 16. Так как подвижная перегородка 10 постоянно за счет пружины 13 поджата одним торцем к цилиндрической поверхности ротора 5, то в камере между ротором 5 и перегородкой 10 начнет создаваться зона разрешения и через впускное отверстие 16 начнет поступать топливовоздушная смесь.

Первая с начала работы двигателя фаза впуска топливовоздушной смеси будет продолжаться до тех пор, пока линия контакта при перемещении ротора 5 не перейдет впускное отверстие 16 еще один раз, т.е. пока ротор 5 не сделает один полный оборот вместе с эксцентриковым валом 3. В дальнейшем фаза впуска топливовоздушной смеси будет осуществляться в любой момент времени работы двигателя, за исключением момента, когда впускное отверстие перекрыто ротором 5.

При дальнейшем перемещении ротора 5 и соответственно линии контакта топливовоздушная смесь, находящаяся в камере между ротором 5 и второй подвижной перегородкой 11, начнет сжиматься, т.е. появляется фаза сжатия. Процесс сжатия топливовоздушной смеси будет продолжаться до тех пор, пока усилие от давления смеси на скос торца подвижной перегородки 11 контактирующего с цилиндрической поверхностью ротора 5, не превысит определенное усилие пружины 14. При этом через появившийся зазор между торцем перегородки 11 и ротором 5 сжатая смесь начнет поступать в камеру сгорания 18. К этому моменту ротор 5 должен войти в контакт с торцем подвижной перегородки 12, что обеспечивается их взаимными геометрическими размерами. Таким образом, весь заряд сжатой смеси оказывается в камере сгорания 18 для последующего воспламенения от свечей 19.

Воспламенение смеси вызывает повышение давления в камере сгорания 18. Повышение давления и на скосе торца подвижной перегородки 12 создает усилие, превышающее усилие пружины 15, и торец перегородки 12 отойдет от ротора 5. При этом давление газов распространится на значительную площадь ротора 5.

Дальнейшее перемещение ротора 5 обуславливает снижение давления на скос подвижной перегородки 12, и она под действием пружины 15 возвратится в исходное положение, при котором существует зазор между торцем перегородки 12 и ротором 5, что позволяет использовать всю энергию сгоревших газов.

Процесс расширения или фаза рабочего хода будет продолжаться до тех пор, пока линия контакта в процессе перемещения ротора 5 не достигнет выпускного отверстия 17.

Затем при прохождении линией контакта через выпускное отверстие 17 газы начнут выходить через него в атмосферу при свободном истечении, идет фаза выпуска.

Далее, при вращении ротора 6 газы будут удаляться принудительно, что улучшает очистку внутренней полости двигателя от продуктов сгорания.

При дальнейшей работе двигателя все процессы, приведенные выше, повторяются. Причем фазы впуска и выпуска продолжаются целый оборот ротора 5 и существуют одновременно. При этом более половины времени оборота ротора осуществляется фаза рабочего хода, а другую половину времени оборота ротора осуществляется фаза сжатия при наличии сопутствующих ей фаз впуска и выпуска.

Источники информации
1. Крайнев А. Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1981, с. 31.

2. Авторское свидетельство N 1 574 866 AI, F 02 B 53/00, СССР, 1990, бюл. N 24 (прототип).

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в автомобилях, мотоциклах, моторных лодках. Цилиндрический ротор (5) установлен на эксцентриковом валу 3 и имеет возможность постоянного контакта с внутренней цилиндрической полостью корпуса (1) двигателя при перекатывании по ней. При этом ротор (5) при его перемещении контактирует с подвижными перегородками (10) и (11) постоянно, с перегородкой (12) периодически, что создает камеры, в которых происходят рабочие фазы: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Впуск топливовоздушной смеси и выпуск отработавших газов осуществляется через впускное (16) и выпускное (17) отверстия. Для улучшения процесса воспламенения в камере сгорания (18) установлены две свечи зажигания. В процессе работы двигателя фазы впуска и выпуска продолжаются целый оборот ротора и существуют одновременно. При этом половину времени оборота осуществляется фаза рабочего хода, а другую половину - фаза сжатия также при наличии фаз впуска и выпуска. Технический результат заключается в упрощении конструкции, увеличении долговечности и повышении экономичности. 6 ил.

Роторный двигатель, содержащий корпус с выполненной в нем цилиндрической полостью, вращающийся эксцентриковый вал с установленным на нем с возможностью вращения и перекатывания с постоянным контактом по внутренней поверхности полости корпуса цилиндрическим ротором, источник воспламенения, размещенный в камере сгорания, выполненной в виде углубления в корпусе, отличающийся тем, что три постоянно подпружиненные относительно корпуса подвижные перегородки, контактирующие с цилиндрическим ротором, торцы двух из которых имеют переменные поперечные сечения, направленные скосом в сторону, противоположную направлению вращения эксцентрикового вала, размещены в радиальных пазах корпуса, первая и вторая перегородки установлены с возможностью непрерывного контакта с цилиндрической поверхностью ротора, имеющего кольцевые подпружиненные уплотнения по торцам, при этом камера сгорания, расположенная диаметрально первой перегородке, имеет продольную форму, содержит два источника воспламенения и находится между второй и третьей перегородкой, имеющей возможность контакта с цилиндрической поверхностью ротора, а выпускное и впускное отверстия расположены по обе стороны первой перегородки, причем выпускное отверстие находится за камерой сгорания по направлению вращения эксцентрикового вала, на котором установлены маховики-противовесы.