РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B53/00 F01C7/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания для передвижных и стационарных установок.

В настоящее время большое распространение получили роторные двигатели внутреннего сгорания различных конструктивных исполнений. При этом основной проблемой при разработке конструкций двигателей указанного типа является обеспечение герметичности рабочих камер двигателя, в которых протекают термодинамические процессы.

Одним из путей решения этой проблемы является применение жидкостей для минимизации утечек рабочей смеси из камеры сгорания.

Известен ряд конструкций роторных гидрофицированных двигателей внутреннего сгорания, например [а.с. СССР N 1268767, F 02 B 75/32, публ. 1986 г. ; а.с. СССР N 1824496, F 02 B 55/02, публ. 1993 г.].

В частности, известен роторный гидрофицированный двигатель внутреннего сгорания [патент РФ N2013601, F 02 B 71/04, публ. 1994 г.].

Двигатель содержит полый неподвижный корпус, внутри которого соосно размещен цилиндрический ротор с подпружиненной лопастью, помещенной в пазу ротора с возможностью образования в рабочей полости двигателя изменяемых рабочих объемов. Двигатель содержит также рабочий цилиндр с камерой сгорания и поршень, роль которого выполняет жидкость, частично заполняющая свободный объем двигателя. Рабочий цилиндр связан с рабочей полостью впускными и выпускными жидкостными каналами.

В рабочую полость двигателя подают воду, которая при вращении ротора загоняется в рабочий цилиндр, где она сжимает рабочую смесь. В этот момент осуществляют воспламенение рабочей смеси, и вода под давлением газообразных продуктов сгорания перемещается в кольцевую рабочую полость, давит на лопасть, осуществляя рабочий ход двигателя. В конце рабочего хода вода и отработанные газы выталкиваются в емкость, расположенную вне двигателя, откуда затем вода по замкнутому циклу вновь поступает в рабочую полость двигателя.

Преимуществом данного двигателя является то, что в нем удается снизить утечки рабочей смеси из камеры сгорания.

Однако двигатель является сложным по конструкции, требует применения многокомпонентной и точной системы регулирования. Кроме того, из-за вероятности возникновения вакуумных пробок в объеме жидкости, снижающих стабильность рабочих характеристик двигателя, приходится использовать компрессор для увеличения давления рабочих газов на жидкость в рабочем цилиндре.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому двигателю является роторный двигатель внутреннего сгорания [а.с. СССР N 1784068, F 02 B 53/00, публ. БИ N 47, 1992 г.], выбранный автором в качестве прототипа.

Двигатель содержит полый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью, в котором эксцентрично на валу размещен цилиндрический ротор. В пазах ротора установлены с возможностью возвратно-поступательного движения подпружиненные лопасти, которые при вращении ротора образуют внутри двигателя рабочие камеры переменного объема. Для обеспечения герметичности рабочих камер лопасти снабжены уплотнительными пластинами и тангенциальными выступами, а ротор имеет выемки на внешней поверхности, сопряженные с поверхностью выступов лопастей. Для снижения металлоемкости конструкции в теле ротора имеются выемки.

Двигатель снабжен каналами для впуска рабочей смеси и выпуска продуктов сгорания, а также средством для воспламенения рабочей смеси.

При вращении двигателя под действием пружин и центробежной силы лопасти и уплотнительные пластины прижимаются к стенке корпуса, в результате чего рабочие камеры оказываются изолированными друг от друга.

Вследствие того, что ротор размещен с эксцентриситетом относительно оси корпуса, при вращении ротора происходит циклическое изменение объема рабочих камер, что обеспечивает протекание в них термодинамических процессов сжатия-расширения рабочей смеси и, соответственно, работу двигателя.

В данном двигателе камерой сгорания, в которой происходит воспламенение рабочей смеси и последующее расширение рабочих газов, служит одна из образующихся рабочих камер, имеющая минимальный объем. При этом даже при наличии конструктивных элементов, используемых в данном двигателе для обеспечения герметичности рабочих камер, все же не удается предотвратить утечку рабочей смеси из камеры сгорания, что снижает экономичность работы двигателя.

Кроме того, данный двигатель сложен в изготовлении, так как его элементы имеют сложную форму поверхностей.

Задачей заявляемого изобретения является повышение экономичности работы двигателя при обеспечении простоты его конструкции.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что роторный двигатель содержит полый корпус, цилиндрический ротор, в пазах которого с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, а также канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, при этом ротор установлен внутри корпуса с возможностью образования между наружной поверхностью ротора, внутренней поверхностью корпуса и поверхностями двух соседних лопастей рабочих камер переменного объема, причем в теле ротора на каждом из участков, ограниченных двумя соседними лопастями, выполнена сквозная полость, выходное отверстие которой расположено на боковой поверхности ротора, а входное отверстие - на его торцевой поверхности, к входному отверстию каждой сквозной полости подведены канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, при этом часть объема, образованного наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, а также часть объема сквозных полостей в теле ротора заполнены жидкостью.

Кроме того, сквозные полости в теле ротора имеют форму усеченного конуса, расширяющегося к выходному отверстию.

Новыми отличительными признаками являются следующие признаки.

В теле ротора на каждом из участков, ограниченных двумя соседними лопастями, выполнена сквозная полость, выходное отверстие которой расположено на боковой поверхности ротора, а входное отверстие - на его торцевой поверхности, к входному отверстию каждой сквозной полости подведены канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, при этом часть объема, образованного наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, а также часть объема сквозных полостей в теле ротора заполнены жидкостью.

Кроме того, новым является то, что сквозные полости в теле ротора имеют форму усеченного корпуса, расширяющегося к выходному отверстию.

Наличие у ротора лопастей, которые могут совершать в его пазах возвратно-поступательное движение, а также установка ротора внутри корпуса с возможностью образования в свободном объеме внутри двигателя изолированных друг от друга рабочих камер переменного объема обеспечивают циклическое протекание в двигателе процессов термодинамического сжатия и расширения рабочей смеси.

Принципиальным в конструкции заявляемого двигателя является то, что в теле ротора выполнены сквозные полости, выходные отверстия которых, расположенные на боковой поверхности ротора, сообщаются со свободным объемом двигателя, а ко входным отверстиям, которые расположены на торцевой поверхности ротора, подведены канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, а также то, что часть свободного объема двигателя и часть объема указанных полостей заполнены жидкостью. Вследствие этого при вращении ротора под действуем центробежной силы в каждой из образовавшихся рабочих камер жидкость отжимается к стенкам корпуса и при этом заполняет тем большую часть объема сквозной полости, чем меньше объем соответствующей рабочей камеры, с которой сообщена данная полость.

Термодинамические процессы сжатия и расширения рабочей смеси в заявляемом двигателе происходят в каждой из сквозных полостей в теле ротора в объеме, не занятом жидкостью. Таким образом каждая сквозная полость выполняет роль рабочего цилиндра с камерой сгорания, а роль поршня выполняет жидкость.

За счет этого практически исключается утечка рабочей смеси из камеры сгорания и тем самым обеспечивается высокая экономичность работы двигателя. Возможное незначительное перетекание жидкости из одной рабочей камеры в другую не сказывается на работе двигателя, поскольку убывание некоторого количества жидкости из рабочей камеры на одном из тактов работы двигателя компенсируется поступлением жидкости в ту же камеру на другом такте работы.

Благодаря центробежным силам, действующим на жидкость, в ее объеме отсутствуют вакуумные пробки, что обеспечивает стабильность рабочих характеристик двигателя.

Кроме того, жидкость выполняет роль смазки для трущихся частей двигателя, что положительно сказывается на его работе.

Следует отметить, что при работе двигателя сгорание рабочей смеси происходит поочередно в разных сквозных полостях, частично заполненных жидкостью, что исключает локальный перегрев двигателя и способствует стабильности его параметров.

Выполнение сквозных полостей в теле ротора в форме усеченного конуса, расширяющегося к выходному отверстию, обеспечивает более полное использование энергии расширяющихся продуктов сгорания вследствие увеличения площади, на которую давят газы по мере вытеснения из полости жидкости, что в итоге повышает к.п.д. двигателя.

На фиг. 1 представлен общий вид двигателя, на фиг.2 представлен фрагмент продольного разреза двигателя.

Двигатель содержит цилиндрический полый корпус 1, цилиндрический ротор 2, установленный на валу 3 эксцентрично относительно оси корпуса 1. В пазах 4 ротора 2 размещены с возможностью возвратно- поступательного движения подпружиненные лопасти 5. В теле ротора 2 выполнены наклонные сквозные полости 6, выходное отверстие 7 каждой из которых расположено на боковой поверхности ротора 2 и сообщается со свободным внутренним объемом двигателя, образованным наружной поверхностью ротора 2, внутренней поверхностью корпуса 1 и двумя соседними лопастями 5. Входные отверстия 8 полостей 6 расположены на торцевой поверхности ротора 2. Ко входному отверстию 8 каждой полости 6 подведены канал 9 впуска рабочей смеси с каналом 10, канал 11 для выпуска продуктов сгорания с клапаном 12 и средство для воспламенения рабочей смеси, выполненное в виде электрической свечи 13.

Корпус 1 с торца закрыт крышкой 14.

Часть свободного внутреннего объема двигателя и часть объема каждой полости 6 заполнены жидкостью (уровень "а" на фиг.2 при неработающем двигателе).

Двигатель работает следующим образом.

С помощью стартера (не показан) начинает вращаться вал 3 с ротором 2. Под действием центробежной силы подпружинные лопасти 5 плотно прижимаются своими краями к стенке корпуса 1, образуя изолированные друг от друга рабочие камеры 15 переменного объема. При этом жидкость в каждой камере 15 отжимается от центра корпуса 1, заполняя часть объема каждой из полостей 6 (степень заполнения жидкостью полостей 6 ''б'' при работающем двигателе условно показана на фиг. 1). Степень заполнения жидкостью полости 6 тем больше, чем меньше объем рабочей камеры 15, с которой сообщается рассматриваемая полостью.

Рассмотрим процессы, протекающие в полостях 6, каждая из которых выполняет роль рабочего цилиндра с камерой сгорания, на примере полости 6, сообщающейся в исходный момент времени с рабочей камерой 15, имеющей минимальный объем (положение полости 6 вблизи точки A на фиг. 1).

При вращении ротора 2 и перемещении полости 6 в направлении от точки A к точке B (например, против часовой стрелки) происходит увеличение объема рабочей камеры 15 и, соответственно, увеличение незанятого жидкостью объема в полости 6, при этом осуществляется впуск рабочей смеси через открытый клапан 10. Затем при движении полости 6 в направлении от точки B к точке A происходит уменьшение объема рабочей камеры 15, при этом увеличивается степень заполнения полости 6 жидкостью, в результате чего происходит сжатие рабочей смеси в полости 6. В момент максимального сжатия рабочей смеси жидкостью, когда полость 6 оказывается вблизи точки А, происходит воспламенение рабочей смеси от свечи 13. Расширяющиеся продукты сгорания оказывают давление на жидкость, которое передается в рабочую камеру 15. При этом за счет первоначально заданного направления вращения ротора 2 плечо одного из рычагов, которые образуют две соседние лопасти 5, ограничивающие объем рабочей камеры 15, оказывается большим, в результате чего ротор 2 будет вращаться в первоначально заданном направлении, осуществляя рабочий ход двигателя. После этого необходимость в работе стартера отпадает. При дальнейшем обороте ротора 2 происходит выпуск отработанных продуктов сгорания через открытый клапан 12. При дальнейшем движении полости 6 в направлении от точки A к точке B цикл протекания термодинамических процессов в ней будет повторяться.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания для передвижных и стационарных установок. Технический результат - повышение экономичности работы двигателя при обеспечении простоты его конструкции. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит полый корпус, цилиндрический ротор, в пазах которого с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, а также канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, при этом ротор установлен внутри корпуса с возможностью образования между наружной поверхностью ротора, внутренней поверхностью корпуса и поверхностями двух соседних лопастей рабочих камер переменного объема. В соответствии с изобретением в теле ротора на каждом из участков, ограниченных двумя соседними лопастями, выполнена сквозная полость, выходное отверстие которой расположено на боковой поверхности ротора, а входное отверстие - на его торцевой поверхности, к входному отверстию каждой сквозной полости подведены канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания. Часть объема сквозных полостей, а также часть объема, образованного наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, заполнены жидкостью. 1 з.п.ф-лы 2 ил.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус, цилиндрический ротор, в пазах которого с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, а также канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, при этом ротор установлен внутри корпуса с возможностью образования между наружной поверхностью ротора, внутренней поверхностью корпуса и поверхностями двух соседних лопастей рабочих камер переменного объема, отличающийся тем, что в теле ротора на каждом из участков, ограниченных двумя соседними лопастями, выполнена сквозная полость, выходное отверстие которой расположено на боковой поверхности ротора, а входное отверстие - на его торцевой поверхности, к входному отверстию каждой сквозной полости подведены канал для впуска рабочей смеси, средство для ее воспламенения и канал для выпуска продуктов сгорания, при этом часть объема, образованного наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, а также часть объема сквозных полостей в теле ротора заполнены жидкостью. 2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что сквозные полости в теле ротора имеют форму усеченного конуса, расширяющегося к выходному отверстию.