РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B53/08 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкции двигателя внутреннего сгорания роторно-поршневого типа.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с двумя пересекающимися рабочими полостями, в которых размещены роторы с зубьями и впадинами циклоидального профиля, установленные на параллельно расположенных валах, связанных синхронизирующей передачей. В межзубчатых впадинах роторов выполнена камера сгорания, а в корпусе предусмотрены окна и каналы газообмена (см. авторское свидетельство СССР 370353 по М. кл. F 02 B 55/00).

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочими камерами, образованными двумя пересекающимися цилиндрическими рабочими полостями, в которых установлены взаимно сопряженные вращающиеся роторы с двумя параллельными валами, связанными синхронизирующей шестеренчатой передачей, для размещения этих взаимно сопряженных роторов - ведущего и ведомого, соответственно с зубьями и впадинами циклоидального профиля, расположенными снаружи и внутри начальных окружностей своих роторов, причем число впадин ведомого ротора больше числа зубьев ведущего ротора. Камера сгорания образована впадинами ведомого ротора. Свечи зажигания для воспламенения горючей смеси установлены в углублениях, выполненных в камере сгорания ведомого ротора или по центру зубьев ведущего ротора. В корпусе двигателя предусмотрены окна и каналы газообмена (см. патент СССР 565635, выданный иностранной фирме, по M. кл. 2 F 02 B 55/00).

Существенными недостатками вышеописанных двигателей, выбранных в качестве аналога и прототипа, являются:
- сложность изготовления роторов, т.к. они различны по конфигурации и числу зубьев;
- форма и характер изменения объема рабочей камеры нерациональны в термодинамическом отношении, т.к. рабочие процессы в этих двигателях происходят на незначительном (не более 36^o) угле поворота вала ротора, что не позволяет достичь требуемых коэффициентов полезного действия рабочих циклов.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения трудоемкости изготовления роторно-поршневого двигателя и получения рациональных в термодинамическом отношении формы и характера изменения объема рабочих камер.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся роторы, валом для размещения роторов, камерой сгорания, установленные в параллельных рабочих полостях роторы выполнены в виде параллельно закрепленных на валу дисков, в одном из которых, с большим диаметром, выполнен радиальный паз с глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности этого диска, другой диск, с меньшим диаметром, снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом и подпружиненной заслонкой. Камера сгорания выполнена в виде соосных внешнего, среднего и внутреннего цилиндров, установленных друг в друге. Внешний цилиндр разделен плоскостью, проходящей через оси вала роторов и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска с большим диаметром с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза диска, средний и имеющий возможность вращения внутренний цилиндры снабжены окнами для впуска в камеру сгорания рабочей смеси и перепускными окнами для выпуска горящей рабочей смеси.

Снижение трудоемкости изготовления роторно-поршневого двигателя обеспечивается путем выполнения роторов простой формы в виде дисков, что не требует сложного технологического оборудования и квалифицированных рабочих. При этом ротор с радиальным пазом, с большим диаметром, предназначен для совершения процессов сжатия и всасывания, а ротор с меньшим диаметром - для рабочего хода и выхлопа.

Получение рациональных в термодинамическом отношении формы и характера изменения объема рабочих камер, образованных параллельными рабочими полостями, в которых установлены роторы, является следствием того, что форма рабочих камер заявляемого роторно-поршневого двигателя достаточно простая, кольцеобразная прямоугольного сечения, а рабочие процессы происходят на угле поворота вала роторов, равном 360^o, что позволяет данной конструкции двигателя достичь высоких коэффициентов полезного действия рабочих циклов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - разрез по линии А-А фиг. 1 роторно-поршневого двигателя; на фиг. 3 - разрез по линии Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 - разрез по линии В-В фиг. 1; на фиг. 5 - разрез по линии Г-Г фиг. 1.

Основой предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания являются два ротора 1 и 2, расположенных параллельно, жестко закрепленных на одном валу 3 на фиксированном расстоянии друг от друга и вращающихся в корпусе 4 (см. фиг. 1). Ротор 1 большего диаметра выполнен в виде круглого диска, в верхней части которого имеется паз 5 прямоугольной формы, расположенный по радиусу ротора. Паз 5 имеет разную глубину, плавно изменяющуюся от "нулевой" глубины до максимальной и обратно. Так глубина паза 5 плавно увеличивается от нулевого до наибольшего значения па первой половине дуги окружности ротора 1 и плавно уменьшается от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности ротора 1.

Ротор 2 также выполнен в виде круглого диска, но меньшего диаметра, закрепленного на валу 3 параллельно ротору 1.

Роторы 1 и 2 размещены в параллельных рабочих полостях, образующих рабочие камеры, причем рабочая камера ротора 1 образована поверхностями паза 5 ротора 1 и корпусом 4 двигателя, а рабочая камера ротора 2 - наружной поверхностью ротора 2 и корпусом 4 двигателя. Вал 3 с установленными на нем роторами 1 и 2 одновременно является и валом отбора мощности.

Между роторами 1 и 2 в корпусе 4 двигателя параллельно валу 3 роторов 1, 2 расположена камера сгорания 6, выполненная в виде трех соосных цилиндров: внешнего 7, среднего 8 и внутреннего 9, установленных друг в друге (см. фиг. 2).

Внешний цилиндр 7, имеющий наибольший диаметр и представляющий собой цилиндр с днищем, обращенным в сторону ротора 1, разделен на два полуцилиндра плоскостью, проходящей через ось вала 3 роторов 1, 2 и ось цилиндров камеры сгорания 6. Первый полуцилиндр внешнего цилиндра 7 жестко закреплен в корпусе 4 двигателя, а второй полуцилиндр 10, одновременно являющийся поршнем, плотно входит в паз 5 ротора 1 (см. фиг. 1) и имеет возможность перемещаться относительно первого неподвижного полуцилиндра внешнего цилиндра 7 до прилегания наклонного днища полуцилиндра 10 к основанию паза 5 при изменении глубины паза 5 ротора 1. Днище полуцилиндра 10 (см. фиг. 2) через кольцо 11 посредством пружины 12 прижимается к основанию паза 5 и имеет скошенность под углом α для плотного его прижатия к основанию паза 5.

Средний цилиндр 8 представляет собой цилиндр с днищем, обращенным в сторону ротора 1 и плотно входящий во внешний цилиндр 7. В днище цилиндра 8 имеется окно 13 для впуска в камеру сгорания 6 рабочей смеси, а в полости цилиндра 8 имеется перепускное окно 14 прямоугольной формы, которое расположено над ротором 2 и предназначено для выпуска горящей рабочей смеси.

Внутренний цилиндр 9 представляет собой цилиндр с днищами с обоих концов и плотно входит в средний цилиндр 8. Цилиндр 9 имеет возможность вращаться в цилиндре 8 за счет шестеренчатой передачи 15 (см. фиг. 1). В днище цилиндра 9 (см. фиг. 2), обращенной в сторону ротора 1, имеется окно 16 для впуска в камеру сгорания 6 рабочей смеси, имеющее форму, аналогичную форме окна 13 цилиндра 8 (см. фиг. 3), а в полости цилиндра 9, расположенной над ротором 2, имеется перепускное окно 17, имеющее форму, аналогичную форме окна 14 цилиндра 8, предназначенное для выпуска горящей рабочей смеси (см. фиг. 2). В днище цилиндра 9, обращенном в сторону ротора 2, имеется отверстие для свечи зажигания 18.

Часть цилиндров 8 и 9, имеющая перепускные окна 14 и 17 соответственно, располагается над ротором 2 таким образом, что выступ 19 ротора 2 (см. фиг. 4) плотно соприкасается с корпусом 4 и проходит в непосредственной близости от поверхности среднего цилиндра 8 камеры сгорания 6.

В корпусе 4 двигателя над рабочей поверхностью ротора 2 расположена заслонка 20, прижимающаяся к поверхности ротора 2 пружиной 21 и имеющая возможность контакта с выступом 19 ротора 2.

Рабочая камера ротора 1 (см. фиг. 1), образованная корпусом 4 двигателя и пазом 5 ротора 1, разделена полуцилиндром 10 (см. фиг. 5) и выступом 22 ротора 1, соответствующим нулевой глубине паза 5 (см. фиг. 1) ротора 1, на камеру впуска 23 (см. фиг. 5) и камеру сжатия 24. Рабочая камера ротора 2 (см. фиг. 4), образованная корпусом 4 двигателя и наружной поверхностью ротора 2, разделена выступом 19 и заслонкой 20 на камеру рабочего хода 25 и камеру выхлопа 26.

В корпусе 4 двигателя имеется канал 27, соединяющий камеру выхлопа 26 с атмосферой. В корпусе 4 двигателя (см. фиг. 2) также имеется канал 28, соединяющий камеру впуска 23 (см. фиг. 5) с системой впуска двигателя внутреннего сгорания.

Крайнее правое положение 29 (см. фиг. 2) полуцилиндра 10 камеры сгорания 6 соответствует нулевому углублению (см. фиг. 5) паза 5 (см. фиг. 1) ротора 1.

Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено:
- стрелками на фиг. 1, 4, 5 - направление вращения роторов 1, 2;
- пунктирными линиями на фиг. 2 - возможные положения полуцилиндра 10 в пазу 5 ротора 1;
- стрелками с надписями на фиг. 2, 4 - направление движения рабочей и отработавшей соответственно смеси.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

За начало отсчета принимаем положение ротора 1, когда полуцилиндр 10 камеры сгорания 6 находится в крайнем правом положении, т.е. когда глубина паза 5 равна нулю (положение 29, см. фиг. 2). Вращение роторов 1, 2 происходит по часовой стрелке со стороны шестеренчатой передачи 15 (см. фиг. 1). Двигатель работает на бензине и имеет стандартный карбюратор для приготовления рабочей смеси.

Рассмотрим первоначально полный рабочий цикл двигателя от такта впуска до такта выпуска, происходящий с одним зарядом рабочей смеси.

1 такт - впуск происходит на угле поворота вала 3 роторов 1, 2 от 0 до 360^o. При вращении ротора 1 за полуцилиндром 10 создается разрежение и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, по каналу 28 поступает в камеру впуска 23 (см. фиг. 5).

2 такт - сжатие происходит на угле поворота вала 3 роторов 1, 2 (см. фиг. 1) от 360 до 720^o и заканчивается тогда, когда нулевое углубление (см. фиг. 5) паза 5 ротора 1 подойдет к полуцилиндру 10, который займет крайнее правое положение 29 (см. фиг. 2). На угле поворота вала 3 (см. фиг. 1) роторов 1, 2 от 360 до 520-540^o (в зависимости от установки фаз газораспределения) рабочая смесь предварительно сжимается в камере сжатия 24 (см. фиг. 5), пока окна 13 и 16 не начнут совмещаться (см. фиг. 3). После начала совмещения окон 13 и 16 предварительно сжатая рабочая смесь начнет поступать во внутреннюю полость вращающегося цилиндра 9 (см. фиг. 2), где и будет происходить дальнейшее ее сжатие вплоть до 720^o поворота вала 3 (см. фиг. 1) роторов 1, 2, т. е. когда нулевое углубление (см. фиг. 5) паза 5 ротора 1 встанет напротив камеры сгорания 6 (см. фиг. 2) и полуцилиндр 10 займет крайнее правое положение 29. Окна 13 и 16 в этот момент закроются и вся горючая смесь окажется в сжатом состоянии в цилиндре 9 камеры сгорания 6.

3 такт - расширение или рабочий ход происходит на угле поворота вала 3 (см. фиг. 1) роторов 1, 2 от 720 до 1080^o. При этом, при угле поворота вала 3 роторов 1, 2, равном 720^o, происходит воспламенение горючий смеси в цилиндре 9 (см. фиг. 2) камеры сгорания 6 за счет проскакивания искры в свече зажигания 18. В этот же момент начинают совмещаться перепускное окно 17 цилиндра 9 и перепускное окно 14 цилиндра 8. Через образовавшуюся и постоянно увеличивающуюся за счет вращения цилиндра 9 щель горящая рабочая смесь прорывается в камеру рабочего хода 25 (см. фиг. 4).

За счет горения топливовоздушной смеси создается высокое давление, которое воздействует на выступ 19 ротора 2, заставляя ротор 2 вращаться и создавать крутящий момент на валу 3 двигателя. При вращении ротора 2 от 720 до 1080^o происходит перемещение горящих газов по окружности.

4 такт - выпуск происходит при вращении вала 3 (см. фиг. 1) роторов 1, 2 от 1080 до 1440^o. При этом отработавшие газы из камеры выхлопа 26 по каналу 27 выпускаются в атмосферу.

Таким образом, при угле поворота вала 3 роторов 1, 2 (см. фиг. 1), равном 1440^o, заканчивается процесс выпуска, а следовательно, заканчивается полный рабочий цикл, происшедший в данном роторном двигателе с одним зарядом горючей смеси.

При постоянной работе двигателя происходит следующее. При вращении роторов от 0 до 360^o в рабочей полости ротора 1 (см. фиг. 5) происходит одновременно сжатие (камера сжатия 24) и впуск горючей смеси (камера впуска 23), а в рабочей полости ротора 2 (см. фиг. 4) происходит одновременно рабочий ход (камера рабочего хода 25) и выхлоп (камера выхлопа 26). Таким образом полный цикл совершается на угле поворота вала 3 (см. фиг. 1) роторов 1, 2, равном 360^o.

Герметизация замкнутых объемов в двигателе обеспечивается за счет точности изготовления деталей двигателя, за счет лабиринтных уплотнений и за счет уплотняющих колец и пластин специальной конструкции.

Двигатель позволяет использовать стандартные системы охлаждения, смазки и зажигания. Кроме того, двигатель может быть выполнен в виде нескольких однотипных секций, роторы которых установлены на общем валу. В этом случае для повышения равномерности крутящего момента необходимо смещать на некоторый угол каждую последующую пару роторов относительно предыдущей.

Предлагаемая схема конструкции двигателя позволяет иметь несколько камер сгорания, расположенных по окружности роторов.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает снижение трудоемкости его изготовления, т. к. отпадает необходимость в сложном технологическом оборудовании, и возможность получения рациональных в термодинамическом отношении формы и характера изменения объема рабочих камер. Форма рабочих камер у предлагаемого двигателя простая, кольцеобразная, прямоугольного сечения. Повышается коэффициент полезного действия двигателя за счет того, что рабочие процессы двигателя совершаются на угле поворота вала роторов, равном 360^o (у прототипа не более 36^o).

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Задачей изобретения является снижение трудоемкости изготовления двигателя. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус с вращающимися на валу роторами. Согласно изобретению роторы выполнены в виде параллельно закрепленных на валу дисков, в одном из которых, с большим диаметром, выполнен радиальный паз глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги его окружности и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги. Камера сгорания выполнена в виде соосных внешнего, среднего и внутреннего цилиндров, установленных друг в друге, причем внешний цилиндр разделен плоскостью на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу ротора с большим диаметром с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза ротора. Средний и имеющий возможность вращения внутренний цилиндры снабжены окнами для впуска в камеру сгорания рабочей смеси и перепускными окнами для выпуска горящей рабочей смеси. 5 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся роторы, валом для размещения роторов, камерой сгорания, отличающийся тем, что установленные в параллельных рабочих полостях роторы выполнены в виде параллельно закрепленных на валу дисков, в одном из которых, с большим диаметром, выполнен радиальный паз глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности этого диска, другой диск, с меньшим диаметром, снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом и подпружиненной заслонкой, камера сгорания выполнена в виде соосных внешнего, среднего и внутреннего цилиндров, установленных друг в друге, причем внешний цилиндр разделен плоскостью, проходящей через оси вала роторов и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска с большим диаметром с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза диска, средний и имеющий возможность вращения внутренний цилиндры снабжены окнами для впуска в камеру сгорания рабочей смеси и перепускными окнами для выпуска горящей рабочей смеси.