РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B53/00 

Преимущественная область использования двигателя - транспорт. Кроме того двигатель может найти применение во всей области использования поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Известен двухроторный двигатель внутреннего сгорания [1]. В корпусе двигателя выполнены 2 пересекающиеся в виде восьмерки расточки, в которых помещены два ротора. Вращение роторов синхронизировано шестернями. Профиль ротора образуют две дуги окружности разного диаметра и сопрягающие кривые. При вращении роторов их боковые поверхности непрерывно обкатываются друг по другу. В корпусе вблизи линий перегиба, где образуется минимальное поперечное сечение, между корпусом и ротором размещены с обеих сторон полуцилиндрические углубления, выполняющие функции камер сгорания. Впускные и выпускные окна выполнены в боковой поверхности корпуса.

Недостатками данного двигателя являются значительные утечки рабочего тела из-за неэффективного уплотнения и как следствие низкий объемный КПД, быстрое снижение величины крутящего момента при приближении частоты вращения роторов к максимально возможной для данного двигателя из-за неподвижных камер сгорания.

В качестве прототипа взят трехроторный двигатель внутреннего сгорания [2] . Внутренняя полость двигателя разделена на три цилиндрические секции; в каждой секции на отдельных валах установлено по одному ротору, взаимное вращение которых синхронизировано с помощью блока шестерен одинакового диаметра.

Центральный ротор установлен на валу отбора мощности, два других ротора вращаются в противоположном направлении. Центральный ротор трехлопастной, а боковые роторы имеют по три выемки. Лопасти центрального ротора, боковые цилиндрические поверхности роторов стенки корпуса образуют рабочие камеры, в которых и осуществляется работа двигателя по четырехтактному циклу. Один из боковых роторов служит для перепуска топливовоздушной смеси из камеры сжатия в камеры сгорания. В стенке секции корпуса двигателя, в которой вращается ротор-распределитель, выполнена выемка, являющаяся накопительной камерой сжатой топливовоздушной смеси. Эта камера имеет два выходных канала, один в сторону камеры сжатия, другой в сторону камеры сгорания. В корпусе ротора-распределителя каналы выполнены так, что они обеспечивают его работу в три фазы: в одном положении ротора-распределителя камера сжатия двигателя сообщается с наполнительной камерой, в другом - накопительная камера полностью разобщена; в третьем накопительная камера сообщена с камерой сгорания.

Недостатком данного двигателя являются: ограниченная частота вращения роторов по условию полного сгорания топливовоздушной смеси, и следовательно, снижена литровая мощность; повышенная токсичность отработанных газов из-за отсутствия камеры сгорания постоянного объема; значительные утечки рабочего тела как из камеры сгорания, так и из камеры расширения; невозможность работы на сильно переобедненных смесях при использовании в качестве топлива бензина.

Цель настоящего изобретения - увеличение литровой мощности двигателя, повышение его экономичности, снижение токсичности отработанных газов.

Сущность изобретения заключается в том, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, в цилиндрических пересекающихся расточках корпуса которого размещены установленные на валах роторы, вращение которых синхронизировано системой шестерен, процессы сгорания топлива и расширение газов четко разделены между собой. Это достигается размещением камер сгорания в теле силового ротора и герметизацией их до полного сгорания топлива. Камеры сгорания снабжены впускными и выпускными каналами, выходящими соответственно на поверхность осевой расточки силового ротора и на его наружную боковую поверхность. Заполнение камеры сгорания сжатой топливовоздушной смесью /или чистым воздухом в двигателе, работающем по дизельному циклу/, поступающей из накопительной камеры происходит в момент прекращения расширения сгоревших газов за счет совмещения окна на боковой поверхности клапана, выполненного в виде соосной с силовым ротором трубки, расположенной в расточке ротора и жестко закрепленной одним концом в торцевой стенке корпуса, с впускным каналом камеры сгорания. Периодическое их совмещение происходит при вращении силового ротора. Внутренняя полость трубчатого клапана сообщена с накопительной камерой, которая в свою очередь при вращении роторов периодически сообщается с камерой сжатия. Накопительная камера размещена стационарно в корпусе. Моментом перепуска сгоревших и имеющих большое давление газов из камеры сгорания в полость расширения руководит выполненный в форме разомкнутого кольца, жестко закрепленный на торцевой стенке корпуса и соосный с силовым ротором клапан. Кольцевой клапан входит с минимальным зазором и выполненный в силовом роторе и пересекающий выпускной канал камеры сгорания круговой паз. Перепуск газов происходит при совмещении выпускного канала камеры сгорания с разомкнутой частью кольца, расположенной напротив полости расширения. Высокая литровая мощность двигателя будет получена за счет высокой /свыше двадцати пяти тысяч оборотов в минуту/ частоты вращения силового ротора, что достигается отсутствием возвратно-поступательно движущихся масс /все основные детали совершают равномерное вращение/, а также большим углом поворота силового ротора /около 90^o/, отводимым на сгорание топлива, что одновременно снижает токсичность отработавших газов, т.к. топливо успевает сгореть полностью. Снижению токсичности способствует также сгорание в камере постоянного объема. При расположении камеры сгорания в силовом роторе возможно использование энергии реактивной струи газов, перетекающих из камеры сгорания в полость расширения. Расположение окон на боковой поверхности трубчатого клапана вызвано необходимостью устранения осевых сил, действующих на ротор от давления газов.

Для эффективного использования объема полости расширения выпускной канал камеры сгорания выведен на боковую поверхность силового ротора непосредственно у заднего, по ходу вращения, основания выступа. Это также приводит к тому, что максимальное давление /особенно при высокой частоте вращения ротора/ будет всегда у поверхности выступа.

С целью снижения неэффективного расширения газов, перетекающих из камеры сгорания в кольцевой паз, выполненный в силовом роторе, выпускной клапан выполнен в виде кольца, имеющего на боковой поверхности несколько разделенных перемычками сквозных окон. Перемычки и служат препятствием неэффективному перетеканию газа. Предпочтительнее число окон - три-четыре, причем целесообразно последующие по ходу вращения окна изготавливать более широкими, чем первые, постепенно увеличивая расстояние между перемычками.

В связи с тем, что частота вращения силового ротора изменяется в широких пределах /предположительно от 2-3 тыс. оборотов в минуту до 25-30 тыс. оборотов в минуту/, а также значительно изменяется нагрузочный режим двигателя /в случае установки его на транспортном средстве/, целесообразно изменять момент сообщения камеры сгорания с расширительной камерой в зависимости от режима работы двигателя за счет поворота кольцевого клапана вокруг его оси /при увеличении частоты вращения необходимо осуществлять поворот клапана против направления вращения силового ротора/, что снижает утечки газа через неплотности, повышает крутящий момент двигателя и его КПД.

Для обеспечения качественной продувки камеры сгорания и качественного ее наполнения на всех режимах работы двигателя, трубчатый клапан установлен в торцевой стенке корпуса с возможностью поворота относительно своей оси, что позволяет изменить момент сообщения накопительной камеры с камерой сгорания и, следовательно, изменять момент начала подачи свежего заряда.

С целью снижения гидравлических потерь на перетекание сгоревших газов из камеры сгорания в камеру расширения /особенно при значительной высоте ротора/ камера сгорания имеет два выпускных канала, выходящих на боковую поверхность ротора вблизи его противоположных торцевых стенок. Газораспределение через каждый из каналов осуществляется кольцевыми клапанами, укрепленными на противоположных торцевых стенках корпуса.

Для обеспечения установки свечи зажигания и /или/ топливной форсунки в трубчатом клапане так, чтобы электроды свечи и /или/ распылитель форсунки были расположены напротив впускных каналов камеры сгорания, окна для подачи свежего заряда в камеру сгорания выполнены в торцевой стенке трубчатого клапана. Такое расположение окон позволяет также удобно скомпоновать камеры сгорания даже при малом диаметре силового ротора.

Использование трубчатого клапана позволяет снизить утечки из накопительной камеры и из впускного канала камеры сгорания, но для упрощения конструкции двигателя окно для подачи газового заряда в камеру сгорания может быть расположено непосредственно в торцевой стенке корпуса, напротив впускных каналов камеры сгорания, выходящих на торцевую поверхность ротора. Для компенсации осевых сил, возникающих от давления газов, окна в торцевых стенках корпуса и соответствующие им впускные каналы камер сгорания желательно располагать с обеих сторон силового ротора.

Для обеспечения более качественного сгорания топлива и регулирования момента зажигания рабочей смеси в широких пределах, свечи зажигания могут устанавливаться в теле силового ротора так, что их электроды выведены в камеры сгорания.

Смесеобразование в двигателе, работающем на бензине, может осуществляться непосредственно в накопительной камере, посредством установленной в ней топливной форсунки. Такая схема позволяет избавиться от потерь топлива на утечки при сжатии газа и перетекание его из камеры сжатия в накопительную камеру, что неизбежно при подаче во всасывающий трубопровод двигателя смеси воздуха с топливом. Кроме того в последнем варианте возможно воспламенение горючей смеси в камере сжатия от раскаленных газов, прорвавшихся через неплотности из камеры расширения.

Функции впускного и выпускного клапанов камеры сгорания может выполнять цилиндрический золотниковый клапан с окном /окнами/ на боковой поверхности, установленный в камере сгорания силового ротора с минимальным зазором. Клапан перекрывает впускной и выпускной каналы камеры сгорания. При вращении клапана вокруг своей оси, синхронизированном шестернями с вращением силового ротора /клапан совершает планетарное движение/, он периодически открывает впускной и выпускной каналы, обеспечивая впуск свежего заряда в камеру сгорания и перепуск сгоревших газов в расширительную камеру. Использование цилиндрического золотникового клапана исключает непроизводительные утечки газа из камеры сгорания в круговой паз в силовом роторе, который выполняется в случае использования кольцевого клапана.

Для обеспечения работы бензинового двигателя на переобедненных смесях с коэффициентом избытка воздуха, равным двум и выше /в этом случае значительно повышается КПД двигателя на режимах с неполной нагрузкой/, необходимо на каждый выступ в силовом роторе выполнять по две камеры сгорания, имеющих независимые впускные каналы, соединенные каждый со своей накопительной камерой, и независимые выпускные каналы, газораспределение через которые осуществляют кольцевые клапаны, расположенные на противоположных торцевых стенках корпуса. В этом случае при работе двигателя с неполной нагрузкой в одну камеру сгорания подается стехеометрическая смесь, а в другую - переобедненная /или чистый воздух/, поджигание которой осуществляется факелом из канала малого сечения, соединяющего камеры сгорания. Поджигание стехеометрической смеси в первой камере сгорания осуществляется свечой зажигания. Приготовление горючей смеси разного качественного состава осуществляется за счет подачи в накопительные камеры посредством форсунок разного количества топлива. В данном варианте исполнения двигателя в трубчатом клапане, осуществляющем впуск газового заряда в камеру сгорания, выполнено два независимых канала, заканчивающихся окнами на боковой поверхности клапана. Окна расположены каждое напротив своего впускного канала камеры сгорания. Камеру сгорания со стехеометрическим составом горючей смеси целесообразно выполнять меньшего объема по сравнению с камерой сгорания переменного состава горючей смеси /для получения более высокого коэффициента избытка воздуха/.

С целью сокращения утечек газа из камеры сжатия из камеры расширения, а также для увеличения жесткости выступов силового ротора и стенок кругового паза целесообразно к каждой торцевой поверхности силового ротора жестко прикреплять по плоскому диску, наружный диаметр которых равен диаметру выступов ротора, а внутренний диаметр равен наружному диаметру кругового паза, выполненного в силовом роторе. Снижение утечек газа достигается за счет значительного сокращения длины периметра, по которому они происходят.

Для увеличения КПД двигателя накопительная камера и канал отвода отработавших газов объединены в общий теплообменник, что позволяет отдавать тепловую энергию выхлопных газов свежему заряду.

В предпочтительном варианте двигатель имеет выполненные в корпусе три цилиндрические пересекающиеся полости. В средней полости на валу отбора мощности установлен силовой ротор, имеющий два противоположно расположенных выступа /воспринимающих давление газа/, а в крайних полостях цилиндрические роторы-замыкатели, имеющие по две противоположно расположенные выемки на боковой поверхности, соответствующие выступам силового ротора. Вращение роторов, синхронизированное системой шестерен, происходит с равной угловой скоростью. Причем вращение роторов-замыкателей противоположно вращению силового ротора. При работе двигателя боковые поверхности роторов обкатываются друг по другу. Один из роторов-замыкателей разделяет полость сжатия от полости расширения. С двух сторон этого ротора в корпусе выполнены канал всасывания свежего газового заряда и канал отвода отрабатывающих газов. Второй ротор-замыкатель, кроме разделения полости сжатия от полости расширения, управляет процессом подачи сжатого газа в накопительную камеру за счет открытия впускного окна накопительной камеры /расположенного в торцевой стенке корпуса вблизи пересечения цилиндрических расточек/ при совпадении его с выемкой в роторе замыкающего, в результате чего накопительная камера непосредственно сообщается с камерой сжатия. Конструкция силового ротора с двумя выступами позволяет создать двигатель с максимальной экономичностью и приемлемым использованием рабочего объема, т.к. в этом случае при смещении осей роторов из одной плоскости /так, чтобы объем камеры сжатия стал меньше объема камеры расширения/ степень сжатия становится меньше степени расширения и, следовательно, энергия расширяющихся газов используется более полно. Степень сжатия данного двигателя определяется объемами камеры сжатия и камеры сгорания.

Для создания двигателя данной конструкции с максимальным использованием рабочего объема /с максимальной литровой мощностью/ и с более равномерным крутящим моментом целесообразно силовой ротор изготовлять с тремя равномерно расположенными по окружности рабочими выступами, а роторы-замыкатели - с тремя выемками.

В целях обеспечения беспрепятственного перетекания газа в выемку газораспределительного ротора-замыкателя и последующего полного его вытеснения в накопительную камеру необходимо передние по ходу вращения поверхности выступов силового ротора и выемок роторов-замыкателей выполнять эвольвентными, а задние поверхности выступов силового ротора и выемок ротора-замыкателя - по поверхности, описываемой уравнениями


где D - максимальный диаметр силового ротора;
S - технологический зазор;
Y - абсцисса точек профиля;
Z - ордината точек профиля;
β - параметр, изменяющийся от 0 до
dm - расстояние между осями силового ротора и ротора-замыкателя.

Для обеспечения полного вытеснения газа из камеры сжатия в накопительную камеру, а также для предупреждения непроизводительного расширения сгоревших газов наибольшие диаметры силового ротора и ротора-замыкателя, выполняющего функции газораспределения, должны быть равны /если одинаковы угловые скорости их вращения/, в результате чего обеспечивается требуемое зацепление роторов. Для сокращения размеров двигателя диаметр другого ротора замыкателя может быть уменьшен, но в этом случае необходимо изменять геометрию поверхностей, образующих его выемки.

Диаметры обоих роторов-замыкателей можно уменьшить, если силовой ротор выполнять с тремя равномерно расположенными по окружности выступами, а роторы-замыкатели - с двумя противоположно расположенными выемками /частота вращения роторов-замыкателей в полтора раза выше частоты вращения силового ротора/. В этом случае наибольшие диаметры силового ротора и роторов-замыкателей должны быть связаны соотношением

где D_c - максимальный диаметр силового ротора;
d₃ - максимальный диаметр ротора-замыкателя;
α - угол, вершина которого лежит на оси силового ротора, а образующие его лучи проходят через точки пересечения окружностей наибольших диаметров силового ротора и ротора-замыкателя.

Данная формула отвечает условию герметичности зацепления роторов, частота вращения которых отличается в полтора раза, т.е. точки, лежащие на максимальных диаметрах силового ротора и ротора-замыкателя, которые встречались при их вращении на одной линии пересечения цилиндрических расточек корпуса, встретятся и на другой линии пересечения этих же расточек.

Также с целью полного перетекания газа из камеры сжатия в накопительную камеру контур перепускного окна ограничен линиями: дугой окружности с центром на оси силового ротора и радиусом, равным наибольшему радиусу его выступов, дугой окружности с центром на оси газораспределительного ротора-замыкателя и радиусом, равным минимальному радиусу его выемок, линией, соединяющей эти дуги окружностей, рациональную форму которой необходимо определять экспериментально.

С целью снижения гидравлических потерь на перетекание газа из полости сжатия в накопительную камеру, особенно ощутимых при значительной высоте роторов, целесообразно впускные окна накопительной камеры располагать в торцевых стенках корпуса с обеих сторон газораспределительного ротора-замыкателя.

Для снижения обратного выброса газа из накопительной камеры в камеру сжатия в момент открытия впускного окна накопительной камеры передние, по ходу вращения, поверхности выступов силового ротора выполнены винтовыми /силовой ротор - левый винт, ротор замыкателя - правый винт по типу косозубого зацепления/. В результате чего открытие впускного окна накопительной камеры происходит позже, когда давление в камере сжатия сравнивается с давлением в накопительной камере.

Т. к. вытеснение газа в накопительную камеру происходит в направлении осей ротора, а движение самих вытесняющих поверхностей в перпендикулярном направлении, то в конце такта сжатия газа возникают значительные гидравлические потери /особенно при высокой частоте вращения роторов/, поэтому для их снижения необходимо задние, по ходу вращения, поверхности выступов силового ротора и выемок роторов-замыкателей делать винтовыми в осевом направлении /силовой ротор - левый винт, ротор замыкатель - правый винт, по типу винтовых насосов/.

При работе двигателя, у которого передние и /или/ задние поверхности выступов силового ротора и выемок роторов-замыкателей выполнены винтовыми, от давления газов будут возникать осевые силы, действующие на роторы. Для их устранения необходимо поверхности выступов и выемок роторов изготовлять шевронными /от середины выступа и выемки выполняются в одну сторону "правая", в другую "левая" винтовые поверхности/. В этом случае впускные окна накопительной камеры выполняются в торцевых стенках корпуса с двух сторон газораспределительного ротора-замыкателя.

В связи с тем что при высокой частоте вращения роторов для снижения окружной скорости качения /скольжения/ в подшипнике необходимо уменьшать радиусы подшипниковых опор роторов, целесообразно одну из опор силового ротора устанавливать непосредственно на трубчатом клапане /у его основания/. При этом наружная обойма подшипника устанавливается в расточке ротора и вращается вместе с ним, а внутренняя обойма неподвижно закрепляется на трубчатом клапане.

Так как объем накопительной камеры должен быть сравнительно большим /примерно равен объему камеры сжатия/ для снижения пульсаций давления газа в ней при работе двигателя, вызванных перетеканием газа из камеры сжатия и наполнением газовым зарядом камеры сгорания, то для сокращения времени и затрат энергии на запуск двигателя /которые определяются объемом накопительной камеры/, а также для обеспечения надежности его запуска /за счет кратковременного превышения давления и, следовательно, температуры в накопительной камере над номенальными/ необходимо перед запуском двигателя разобрать посредством заслонки накопительную камеру и камеру сгорания или накопительную камеру и полость трубчатого клапана до достижения в ней требуемых давления и температуры.

С целью создания высокооборотного двигателя с воспламенением топлива от сжатия /максимальная частота вращения силового ротора свыше 15 тыс. об/мин/, а также для упрощения конструкции топливной аппаратуры двигателя топливная форсунка изготовлена в виде цилиндрического стержня, имеющего осевой канал и соединенный с ним канал малого сечения /распылитель/, выходящий на боковую поверхность стержня. Часть форсунки, содержащая распылитель, расположена на продолжении трубчатого клапана в осевой расточке силового ротора или в полости сменной вставки, запрессованной в силовой ротор, причем форсунка и сменная вставка образует прецизионную пару /форсунка укреплена в корпусе неподвижно/. Сменная вставка имеет прорезь, расположенную на уровне распылителя и входящую в полость камеры сгорания. При вращении силового ротора топлива под давлением периодически впрыскивается в камеру сгорания, что происходит при совмещении распылителя с прорезью вставки. В качестве топливного насоса целесообразно использовать либо многоплунжерный насос, имеющий один выходной топливный трубопровод, либо насос с равномерным ходом плунжера при подаче топлива, один ход которого соответствует 10-30 оборотам силового ротора /здесь необходимо иметь как минимум два поочередно работающих плунжера/. Также в качестве топливного насоса высокого давления может использоваться винтовой насос, т.к. у него отсутствует пульсация давления жидкости на выходе и он способен создавать давление свыше 20 МПа. При применении последних двух типов насосов необходимо использовать трубопроводы с упругими стенками или энергоаккумулятор для предотвращения чрезмерного повышения давления при закрытом положении распылителя. Регулирование подачи топлива в камеру сгорания насосом с равномерным движением плунжера или винтовым насосом можно осуществлять за счет изменения передаточного числа в приводе этих насосов /например, использование автоматизированного электропривода/ или за счет перепуска топлива во всасывающий трубопровод, если привод насоса имеет постоянное передаточное отношение.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен роторный двигатель с искровым зажиганием, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 показан вариант исполнения двигателя без трубчатого клапана, продольный разрез; на фиг. 4 показана конструкция силового ротора с золотниковыми вращающимися клапанами, продольный разрез; на фиг. 5 - то же, поперечный разрез; на фиг. 6 представлена конструкция силового ротора, имеющего по две камеры сгорания на каждый выступ, продольный разрез; на фиг. 7 показана форма выступов и выемок роторов, выполненных шевронными; на фиг. 8 показана схема подшипниковой опоры силового ротора, установленной непосредственно на поверхности трубчатого клапана; на фиг. 9 показан вариант двигателя с воспламенением топлива от сжатого газа, имеющего высокую температуру, продольный разрез; на фиг. 10 - то же, поперечный разрез; на фиг. 11 показаны обозначения основных размеров роторов.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с торцевыми крышками 2 и 3. В цилиндрической расточке 4 корпуса 1 размещен силовой ротор 5, который установлен на валу отбора мощности 6. Силовой ротор 5 содержит два противоположно расположенных профилированных выступа 7, передние, по ходу вращения, поверхности которых выполнены эвольвентными, а задние поверхности описываются уравнениями:


где Y - абсцисса точек профиля;
Z - ордината точек профиля;
β - параметр, изменяющийся от 0 до
dm - расстояние между осями силового ротора и ротора-замыкателя;
S - технологический зазор;
D - максимальный диаметр силового ротора.

Боковая поверхность силового ротора 5, расположенная между выступами 7, и наружные поверхности самих выступов 7 выполнены цилиндрическими. Между выступами 7 и цилиндрической расточкой 4 корпуса 1 имеется минимальный технологический зазор. В теле силового ротора 5 выполнены две сферические камеры сгорания 8, имеющие впускные каналы 9, выходящие на поверхность цилиндрической выемки 10, и выпускные каналы 11, выходящие на боковую поверхность силового ротора 5 непосредственно у задних, по ходу вращения, оснований выступов 7. В осевой цилиндрической выемке 10 силового ротора 5 расположен с минимальным зазором укрепленный в торцевой крышке 2 корпуса 1 клапан 12, выполненный в форме трубки, имеющей заглушку с одного торца. На боковой поверхности трубчатого клапана 12 выполнено на уровне впускных каналов 9 камер сгорания 8 окно 13. В теле силового ротора 5 выполнен также круговой паз 14 /по возможности ближе к наружной цилиндрической поверхности силового ротора 5, но не нарушая ее жесткости/, пересекающий выпускные каналы 11 камеры сгорания 8. В круговом пазу 14 расположен с минимальным зазором укрепленный в торцевой стенке 2 корпуса 1 золотниковый клапан 15, выполненный в форме кольца, имеющего на своей боковой поверхности окна 16, которые служат для переспуска газов из камеры сгорания 8 в полость расширения 17. По ходу вращения силового ротора 5 ширина окон 16 постепенно увеличивается. К торцевым поверхностям силового ротора 5 прикреплены плоские диски 18 и 19, наружные диаметры которых равны диаметрам выступов 7. Внутренний диаметр диска 18 равен наружному диаметру кругового паза 14. /Целесообразно сначала сваркой прикреплять диск 18 по внутреннему диаметру к силовому ротору 5, а затем протачивать круговой паз 14/. В цилиндрических расточках 20 и 21 корпуса 1, пересекающих расточку 4, размещены соответственно ротор-замыкатель 22 и газораспределительный ротор-замыкатель 23, которые установлены на валах 24 и 25. Диаметры расточек 4, 20, 21 и роторов 5, 22, 23 одинаковы. В роторах 22 и 23 выполнены по две противоположно расположенных профилированных выемки 26, передние и задние, по ходу вращения, поверхности которых выполнены аналогично поверхностям выступов 7. Наружные боковые поверхности роторов-замыкателей 22 и 23, а также внутренние поверхности выемок 26 выполнены цилиндрическими. Силовой ротор 5 совместно с роторами-замыкателями 22 и 23 и стенками корпуса 1 образуют камеру впуска и сжатия 27, имеющую выполненный в корпусе 1 канал впуска свежего заряда 28, а также камеру впуска и сжатия 27, имеющую выполненный корпус 1 канал впуска свежего заряда 28, а также камеру расширения и выпуска отработавших газов 17, имеющую выполненный в корпусе выпускной канал 29. Двигатель содержит также накопительную камеру 30, сообщаемую с камерой сжатия 27 посредством впускного окна 31, выполненного в торцевой крышке 3 корпуса 1. Окно 31 расположено вблизи пересечения цилиндрических расточек 4 и 21 напротив выемок 26 газораспределительного ротора-замыкателя 23. Контур окна 31 ограничен линиями: дугой окружности с центром на оси силового ротора 5 и радиусом, равным радиусу выступов 7, дугой окружности с центром на оси газораспределительного ротора-замыкателя 23 и радиусом, равным радиусу выемок 26, линией, соединяющей эти дуги окружностей, рациональную форму которой необходимо определять экспериментально. Накопительная камера 30 сообщается кроме того с внутренней полостью трубчатого клапана 12 посредством переходного фланца 32, содержащего подвижную заслонку 33. Заслонка 33 выполнена в виде пластины с отверстием, форма которого одинакова с формой поперечного сечения канала. Объем накопительной камеры 30 примерно равен объему камеры сжатия /точное определение объема необходимо выполнять экспериментально/. Объем камеры сгорания 8 определяется объемом камеры сжатия 27 и требуемой степенью сжатия /при степени сжатия, равной десяти, объем камеры сгорания должен быть в девять раз меньше объема камеры сжатия 27/. В полость накопительной камеры 30 выведено сопло топливной форсунки 34 /в качестве топлива используется бензин/. На наружную поверхность трубчатого клапана 12 выведены электроды свечи зажигания 35, расположенные напротив впускных каналов 9 камер сгорания 8. Вращение роторов синхронизировано шестернями 36, которые имеют одинаковый диаметр. Валы роторов установлены на подшипниках 37. Во впускном канале 28 установлена поворотная заслонка 38.

Роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При запуске двигателя заслонкой 33 разобщают внутренние полости накопительной камеры 30 и трубчатого клапана 12 и вращают вал 6 силового ротора 5. При этом после прохождения впускного канала 28 выступом 7 силового ротора 5 объем камеры 27 начинает увеличиваться и в нее под действием разрежения поступает свежий газовый заряд. После прохождения впускного канала 28 вторым выступом 7 силового ротора 5 объем камеры 27 начинает уменьшаться и газ сжимается. При дальнейшем вращении роторов выемка 26 газораспределительного ротора-замыкателя 23 сообщается с камерой 27 и в нее начинает перетекать сжимаемый газ. Затем при совмещении окна 31 с выемкой 26 ротора 23 газ перетекает в полость накопительной камеры 30. За счет особой формы выступов 7 силового ротора 5, выемок 26 газораспределительного ротора-замыкателя 23 и формы окна 31 достигается полное перетекание газа в накопительную камеру 30 /за исключением потерь на утечки газа через неплотности/. Циклы наполнения накопительной камеры 26 повторяются до тех пор, пока давление газа в ней достигнет требуемой величины /для дизельного двигателя определяющим параметром является температура газов, достаточная для воспламенения топлива/, после чего за счет открытия заслонки 33 полость накопительной камеры 30 сообщается с полостью трубчатого канала 12, и в этот же момент топливная форсунка 34 начинает подачу топлива, в результате чего образуется горючая смесь. Далее при вращении силового ротора 5 впускной канал 9 камеры сгорания 8 совмещается с окном 13 на поверхности трубчатого клапана 12 и камера сгорания 8 наполняется сжатой горючей смесью. После перекрытия впускного канала 9 горючая смесь в камере сгорания 8 поджигается электрическим разрядом на электродах свечи зажигания 35 и сгорает. Далее, при совмещении выпускного канала 11 камеры сгорания 8 с окнами 16 на боковой поверхности кольцевого клапана 15, сгоревшие газы, имеющие высокое давление, перетекают в камеру расширения 17 и воздействуют на выступ 7 силового ротора 6, в результате чего возникает кружащий момент. При вращении силового ротора 5 объем камеры расширения 17 увеличивается и давление газов в ней снижается. Отработавшие газы вытесняются в выпускной канал двигателя 29 другим выступом 7 силового ротора 5. За один полный оборот силового ротора 5 происходят два рабочих цикла. При работе двигателя одновременно протекают процессы пополнения накопительной камеры 30 определенным количеством сжатого газа и перетекания такого же количества газа из ее полости в полость камеры сгорания 8, поэтому при фиксированном нагрузочном режиме двигателя давление газа в накопительной камере 30 остается примерно постоянным. Подача топлива форсункой 34 в полость накопительной камеры 30 происходит непрерывно, а количество подаваемого топлива зависит от частоты вращения силового ротора и нагрузки на двигатель /от положения заслонки 38/. Изменение крутящего момента двигателя осуществляется количественным методом, за счет изменения /при помощи поворота заслонки 38/ количества свежего заряда, подаваемого в камеру впуска и сжатия 27 или стравливанием газа из накопительной камеры 30 в выпускной 29 или впускной 28 каналы. /Регулирование крутящего момента двигателя, работающего на бензине, качественным методом, за счет обеднения горючей смеси, может осуществляться, если силовой ротор 39 имеет по две камеры сгорания 8 на каждый выступ 7/.

Технико-экономический эффект изобретения заключается в экономии топлива /КПД двигателя может быть свыше пятидесяти процентов/, металла на изготовление двигателя, т.к. у него высокая удельная мощность, а также в низкой токсичности отработавших газов и относительной простота конструкции, т.к. движутся всего три детали. Кроме того двигатель полностью уравновешен от сил инерции. Литровая мощность двигателя в зависимости от степени его форсировки предположительно находится в пределах 200-600 л.с.

Источники информации
1. Патент ФРГ, МКИ F 01 C 1/18, заявка 3042783, заявлена 13.11.80.

2. Патент N 1532652, МКИ F 02 B 53/00, заявлен 2.06.67, Франция.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к транспортным роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет увеличить литровую мощность двигателя, повысить его экономичность, снизить токсичность отработавших газов. Роторный двигатель содержит корпус с пересекающимися цилиндрическими полостями, в которых на валах, связанных синхронизирующей передачей, установлены роторы, имеющие выступы и выемки. В корпусе расположена накопительная камера, соединенная каналами с камерой сжатия, и камера сгорания. Камера сгорания выполнена в теле силового ротора и снабжена выходящим на боковую поверхность ротора выпускным каналом. Газораспределение через выпускной канал осуществляется посредством клапана, выполненного в форме разомкнутого кольца, соосного с силовым ротором, закрепленного на торцевой стенке корпуса и входящего в круглый паз, выполненный в силовом роторе, который пересекает выпускной канал камеры сгорания. Газораспределение через впускной канал камеры сгорания осуществляет расположенный в выемке силового ротора, соосный с ним и закрепленный в торцевой стенке корпуса клапан, изготовленный в форме закрытой с одного торца трубки с выполненным на боковой поверхности окном, которое расположено на уровне впускного канала камеры сгорания. Внутренняя полость трубки сообщена с накопительной камерой. 30 з. п.ф-лы, 11 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий корпус с пересекающимися цилиндрическими полостями, в которых на валах, связанных синхронизирующей передачей, установлены роторы, имеющие выступы и выемки, а также расположенную в корпусе накопительную камеру, соединенную каналами с камерой сжатия и камерой сгорания, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена в теле силового ротора и снабжена выходящим на боковую поверхность ротора выпускным каналом, газораспределение через который осуществляется посредством клапана, выполненного в форме разомкнутого кольца, соосного с силовым ротором, закрепленного на торцевой стенке корпуса и входящего в круглый паз, выполненный в силовом роторе, который пересекает выпускной канал камеры сгорания, газораспределение через впускной канал камеры сгорания осуществляет расположенный в выемке силового ротора, соосный с ним и закрепленный в торцевой стенке корпуса клапан, изготовленный в форме закрытой с одного торца трубки с выполненным на боковой поверхности окном, которое расположено на уровне впускного канала камеры сгорания, при этом внутренняя полость трубки сообщена с накопительной камерой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что место выхода выпускного канала камеры сгорания на боковую поверхность силового ротора расположено непосредственно у заднего по ходу вращения основания выступа. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что клапан, осуществляющий газораспределение через выпускной канал камеры сгорания, выполнен в виде кольца, имеющего на боковой поверхности несколько разделенных перемычками сквозных окон. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что клапан, осуществляющий газораспределение через выпускной канал камеры сгорания, установлен в торцевой стенке корпуса с возможностью поворота относительно своей оси. 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что клапан, обеспечивающий впуск газового разряда в камеру сгорания, укреплен в торцевой стенке корпуса с возможностью поворота относительно своей оси. 6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что камера сгорания имеет два выпускных канала, выходящих на боковую поверхность ротора вблизи его противоположных торцевых стенок, причем газораспределение через эти каналы осуществляют два кольцевых клапана, укрепленных на противоположных торцевых стенках корпуса. 7. Двигатель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что окно для подачи рабочего тела в камеру сгорания выполнено в торцевой стенке трубчатого клапана. 8. Двигатель по пп.1 - 4, 6, отличающийся тем, что окно для подачи рабочего тела в камеру сгорания расположено в торцевой стенке корпуса напротив впускных каналов камеры сгорания, выходящих на торцевую поверхность силового ротора. 9. Двигатель по пп.1 - 8, отличающийся тем, что камеры сгорания снабжены свечами зажигания, установленными в теле силового ротора. 10. Двигатель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что свечи зажигания укреплены в трубчатом клапане, причем их электроды выведены на наружную поверхность клапана, напротив впускных каналов камеры сгорания. 11. Двигатель по пп. 1 - 10, отличающийся тем, что в полость накопительной камеры выведено сопло топливной форсунки. 12. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что функции впускного и выпускного клапанов камеры сгорания выполняет установленный в ней, имеющий ось вращения, параллельную оси силового ротора, золотниковый клапан, который изготовлен в форме цилиндра с окнами на боковой поверхности, причем вращение золотникового клапана синхронизировано с вращением ротора системой шестерен. 13. Двигатель по пп. 1 - 5, 8 - 11, отличающийся тем, что на каждый выступ в силовом роторе выполнено по две камеры сгорания, имеющие независимые впускные каналы, а также независимые выпускные каналы, газораспределение через которые осуществляют кольцевые клапаны, расположенные на противоположных торцевых стенках корпуса. 14. Двигатель по п. 13, отличающийся тем, что впускные каналы смежных камер сгораний сообщаются каждый со своей накопительной камерой. 15. Двигатель по пп. 13, 14, отличающийся тем, что две смежные камеры сгорания соединены каналом. 16. Двигатель по пп. 1 - 15, отличающийся тем, что на каждой торцевой поверхности силового ротора укреплено по диску, наружный диаметр которых больше диаметра поверхности, образующей впадину силового ротора. 17. Двигатель по п. 16, отличающийся тем, что наружный диаметр дисков равен диаметру выступов силового ротора, а внутренний диаметр дисков равен наружному диаметру кругового паза, выполненного в силовом роторе. 18. Двигатель по пп.1 - 17, отличающийся тем, что накопительная камера и канал отвода отработавших газов двигателя объединены в общий теплообменник. 19. Двигатель по пп.1 - 18, отличающийся тем, что в корпусе выполнены три цилиндрические пересекающиеся полости, причем в средней полости расположен силовой ротор, имеющий два противоположно расположенных выступа, а в крайних полостях роторы-замыкатели, имеющие по две противоположно расположенные выемки, кроме того, в торцевой стенке корпуса напротив выемок одного из роторов-замыкателей выполнено впускное окно накопительной камеры, которое расположено вблизи пересечения цилиндрических полостей. 20. Двигатель по п. 19, отличающийся тем, что силовой ротор имеет три равномерно расположенных по окружности выступа, а роторы замыкатели имеют по три равномерно расположенных по окружности выемки. 21. Двигатель по пп.19, 20, отличающийся тем, что максимальные диаметры всех трех роторов одинаковы, причем передние по ходу вращения поверхности выступов силового ротора и выемок роторов замыкателей выполнены эвольвентными, а задние поверхности выступов силового ротора и выемок роторов-замыкателей по профилю, описываемому уравнениями


где D - максимальный диаметр силового ротора;
Y - абсцисса точек профиля;
Z - ордината точек профиля;
β - параметр, изменяющийся от 0 до
dm - расстояние между осями вращения силового ротора и ротора-замыкателя;
S - технологический зазор.

Кроме того, все остальные боковые поверхности роторов выполнены цилиндрическими, оси которых совпадают с осями вращения роторов.

22. Двигатель по пп.19, 20, отличающийся тем, что силовой ротор имеет три равномерно расположенных по окружности выступа, а роторы-замыкатели имеют по две противоположно расположенных выемки, причем максимальные диаметры роторов связаны соотношением

где Dc - максимальный диаметр соплового ротора;
d₃ - максимальный диаметр ротора замыкателя;
α - угол, вершина которого лежит на оси силового ротора, а образующие его лучи проходят через точки пересечения окружностей наибольших диаметров силового ротора и ротора-замыкателя.