Роторно-лопастной двигатель Российский патент 2004 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя внутреннего сгорания.

Известен четырехтактный карбюраторный двигатель, содержащий блок цилиндров с рубашкой охлаждения, головку блока, внутри которого размещен кривошипно-шатунный механизм, который связан с газораспределительным механизмом, системы питания, охлаждения, смазки и зажигания /В.А. Вершигора и др.. Автомобиль ВАЗ-2121 "Нива", М.: Транспорт, 1980, с. 5-65 /.

Недостатками четырехтактного карбюраторного двигателя являются потери на трение в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах, большие размеры и вес двигателя.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией четырехтактного карбюраторного двигателя.

Известен четырехтактный дизельный двигатель, содержащий поддизельную раму, на которой закреплен картер, блок цилиндров с головкой и рубашкой охлаждения, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы питания, охлаждения, смазки и запуска /С.K. Прасолов, М.Б. Амитин, Устройство подводных лодок. М.: Ордена Трудового Красного Знамени военное издательство Министерства обороны СССР, 1973, с. 232-234, рис. 96 /.

Недостатки известного четырехтактного дизельного двигателя те же.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией четырехтактного дизельного двигателя.

Известен также роторно-поршневой двигатель Ванкеля, содержащий корпус, закрытый передней и задней крышками, с рубашкой охлаждения и цилиндром, внутренняя поверхность которого выполнена по эпитрохоиде, внутрь которого вставлен трехгранный ротор, имеющий шестерню с внутренними зубьями, кинематически соединенный с эксцентриком вала, неподвижное зубчатое колесо, входящее в зацепление с зубчатой шестерней ротора, в отверстие которого пропущен вал двигателя, свечу зажигания, впускной и выпускной каналы, выполненные в корпусе, системы питания, охлаждения, смазки и запуска. Отношение неподвижного зубчатого колеса к зубчатой шестерне ротора 2:3. /Политехнический словарь, гл. ред. акад. А.Ю. Ишлинский, М.: Советская энциклопедия, 1960, с. 71 /.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату принят за прототип.

Недостатками роторно-поршневого двигателя Ванкеля, принятого за прототип, являются сложность конструкция, большие нагрузки на зубчатую передачу, невозможность обеспечения хорошего уплотнения ротора, высокая точность и сложность изготовления цилиндра, вибрация от эксцентрика вала.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией роторно-поршневого двигателя Ванкеля.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств роторного двигателя.

Указанная цепь согласно изобретению обеспечивается тем, что цилиндр, внутренняя поверхность которого выполнена по эпитрохойде, трехгранный ротор, неподвижная зубчатая шестерня и эксцентрик вала заменены цилиндром, внутренняя поверхность которого выполнена в форме правильного круга, ротором, отлитым заодно с валом, вставленным внутрь цилиндра, представляющим собой цилиндрическое тело вращения и имеющим четыре радиальных паза, выполненных под углом 90 градусов один относительно другого в двух взаимно пересекающихся плоскостях, каждая пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения, причем внутрь каждого из них вставлена пустотелая прямоугольная лопасть, имеющая внутри пружину, кроме того, между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входа которой открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна продольной оси цилиндра и смещена относительно продольной оси последнего так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания, в которую вставлена свеча зажигания и форсунка, камеру выпуска отработанных газов, имеющую выпускной канал, камеру впуска горючей смеси или воздуха, имеющую впускной канал, и камеру сжатия горючей смеси иди воздуха, причем все камеры отделены друг от друга лопастями, а на заднем конце вала роторно-лопастного двигателя установлен маходик, зубчатый венец которого при запуске взаимодействует с шестерней стартера, прерывателем-распределителем, имеющим на нижней части вертикального вала шестерню, входящую в зацепление с шестерней, установленной на заднем конце вала роторно-лопастного двигателя, причем прерыватель, один контакт которого заземлен, имеет четырехгранный кулачек, а второй его контакт соединен последовательно с источником тока и первичной обмоткой катушки зажигания, второй конец которой заземлен, а параллельно контактам прерывателя подключен конденсатор, кроме того четыре неподвижных контакта распределителя зажигания соединены между собой проводником в общую шину и подключены к центральному стержню свечи зажигания, корпус которой заземлен, а подвижный контакт распределителя зажигания соединен с одним из выводов вторичной обмотки катушки зажигания, вторичный вывод которой заземлен, насосом высокого давления, имеющим на валу шестерню, входящую в зацепление с шестерней, установленной в верхней части вертикального вала прерывателя-распределителя, выход которого гидравлически связан с форсункой, а вход гидравлически соединен через насос с топливным баком, воздухонагнетателем с двухскоростным редуктором, входной патрубок которого через воздушный фильтр пневматически связан с атмосферой, а выходной патрубок совместно с системой подготовки горючей смеси подключен к входному каналу корпуса роторно-лопастного двигателя, при этом ведущий вал двухскоростного редуктора имеет шкив и посредством зубчатой муфты соединен с ведомым валом, связанным с валом воздухонагнетателя, а промежуточный вал посредством шестерен соединен с обоими упомянутыми валами, причем два топливных насоса, масляный и водяной насосы, генератор электрического тока и двухскоростной редуктор посредством шкивов и ременной передачи соединены с валом роторно-лопастного двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид роторно-лопастного двигателя, на фигуре 2 - вид на роторно-лопастной двигатель спереди, на фигуре 3 - вид на роторно-лопастной двигатель сзади, на фигуре 4 - схема роторно-лопастного двигателя, на фигуре 5 - схема расположения форсунки и свечи зажигания на корпусе роторно-лопастного двигателя, на фигуре 6 - схема привода прерывателя-распределителя и насоса высокого давления, на фигуре 7 - схема двухскоростного редуктора привода воздухонагревателя, на фигурах 8 и 9 - схема принципа действия роторно-лопастного двигателя, на фигуре 10 - диаграмма работы роторно-лопастного двигателя.

Роторно-лопастной двигатель содержит корпус 1 с рубашкой охлаждения 2. Внутрь корпуса запрессован цилиндр 3, внутренняя поверхность которого выполнена в форме правильного круга. Корпус закрыт передней 4 и задней 5 крышками. Внутрь цилиндра вставлен ротор 6, выполненный заодно с валом 7, концы которого пропущены в отверстия крышек, и представляющий собой цилиндрическое тело вращения. На теле ротора выполнены четыре радиальных паза 8, 9, 10, 11, расположенных под углом 90 градусов один относительно другого в двух взаимно пересекающихся плоскостях, каждая пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения. Внутрь пазов вставлены пустотелые прямоугольные лопасти 12, 13, 14, 15, имеющие пружины 16. Между каждой парой пазов в теле ротора выполнены Г-образные накопительные камеры 17, 18, 19, 20, оба входа каждой из которых открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна продельной оси цилиндра и смещена вниз так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания 21, в которую ввернуты свеча зажигания 22 и форсунка 23, камеру выпуска отработанных газов 24, имеющую выпускной канал 25, камеру впуска горючей смеси или воздуха 26, имеющую впускной канал 27, камеру сжатия 28. Все камеры отделены друг от друга лопастями. На заднем конце вала закреплены маховик 29, зубчатый венец которого при запуске взаимодействует с шестерней стартера 30, закрепленного снаружи на корпусе, зубчатая шестерня 31, которая входит в зацепление с шестерней 32, закрепленной на нижнем конце вертикального вала 33 прерывателя-распределителя 34, укрепленного снаружи на корпусе. Прерыватель, один контакт 35 которого заземлен, имеет четырехгранный кулачек 36, а второй его контакт 37 соединен последовательно с источником тока 38 и первичной обмоткой 39 катушки зажигания 40, второй конец которой заземлен, а параллельно контактам прерывателя подключен конденсатор 41. Четыре неподвижных контакта 42, 43, 44, 45 распределителя зажигания закреплены на изоляционном диске 46, и соединены между собой проводником в общую шину, и подключены к центральному стержню свечи зажигания, корпус которой заземлен. Подвижный контакт 47 распределителя зажигания соединен с одним из выводов вторичной обмотки катушки зажигания, второй вывод которой заземлен. Заземленный вывод вторичной обмотки 48 через массу соединен с корпусом свечи зажигания. На верхнем конце вертикального вала закреплена шестерня 49, входящая в зацепление с шестерней 50 одноплунжерного насоса высокого давления 51, установленного на корпусе, который посредством трубопроводов соединен с форсункой, топливным насосом 52 и топливным баком 53. Впускной канал корпуса соединен выпускным каналом воздухонагнетателя 54 и через запорный кран 55 с системой подачи бензина 56, соединенной с топливным баком 57. Система подачи бензина может представлять собой карбюратор или прибор электронного впрыска топлива. Входной какал воздухонагнетателя соединен с воздушным фильтром 58. Воздухонагнетатель содержит корпус 59, внутри которого на подшипниках установлены две крыльчатки 60, 61, валы которых соединены между собой посредствен шестерен 62, 63, входящих друг с другом в зацепление, а вал одной из них соединен с двухскоростным редуктором 64. Двухскоростной редуктор содержит корпус 64, закрытий крышкой 65. В подшипниках корпуса закреплены ведущий вал 66, имеющий шкив 67, неподвижную зубчатую полумуфту 68 и ведущую зубчатую шестерню 69, ведомый вал 70, соединенный с одним из валов воздухонагнетателя и имеющий подвижную зубчатую полумуфту 71, связанную с рычагом 72, и ведомую шестерню 73, промежуточный вал 74, имеющий ведомую 75 и ведущую 76 шестерни, входящие в зацепление с шестернями ведущего и ведомого валов. Бензонасос 77 и топливный насос дизельной системы, масляный насос 78, водяной насос 79, генератор электрического тока 80, воздухонагнетатель с двухскоростным редуктором имеют шкивы 81, которые посредством приводных ремней 82 соединены со шкивом 83 вала роторно-лопастного двигателя. Системы смазки и охлаждения, система опережения зажигания, центробежный регулятор и система опережения подачи топлива в форсунку стандартны и на чертежах не показаны. На фигуре 10 цифрами обозначено: рабочий ход 84, выпуск отработанных газов 85, впуск горючей смеси или воздуха 86, сжатие горючей смеси или воздуха 87, перенос горючей смеси или воздуха из камеры сжатия в камеру сгорания 88, воспламенение горючей смеси или подача топлива форсункой 89, окончательное удаление отработанных газов (одновременное открытие впускного и выпускного каналов) 30.

Работа роторно-лопастного двигателя.

Перед запуском роторно-лопастного двигателя необходимо проверить наличие топлива в топливных баках 53, 57 и исправность всех систем. Роторно-лопастной двигатель может работать по циклу четырехтактного бензинового двигателя или четырехтактного дизельного двигателя. Для работы по циклу четырехтактного бензинового двигателя необходимо включить зажигание, поставить рычаг 72 двухскоростного редактора 64 воздухонагнетателя 54 в положение минимальных оборотов (обе полумуфты 68, 71 выведены из зацепления) и включить стартер 30, который через зубчатый венец маховика 29 станет раскручивать вал 7 и запустит роторно-лопастной двигатель. При этом ведущий вал 66 двухскоростного редуктора 64 через шестерни 69, 75, 76, 73 и промежуточный вал 74 станет вращать ведомый вал 70, а вместе с ним и воздухонагнетатель 54 с небольшой скоростью. Воздух из атмосферы через воздушный фильтр 58 станет нагнетаться в камеру впуска 26, а вместе с ним из бака 57 системой подготовки топлива 56 туда же будет подаваться бензин. На диаграмме впуск горючей смеси происходит за время поворота вала 7 от 325 до 35 градусов. После того как пустотелая прямоугольная лопасть 12 закроет впускной канал 27 в камере сжатия 28 начинается сжатие горючей смеси (фиг. 8, 9), которой длится за время поворота вала 7 от 35 до 155 градусов. По мере уменьшения объема камеры сжатия сжатая горючая смесь поступает в Г-образную накопительную камеру 20 до тех пор, пока последняя не займет положение Г-образной накопительной камеры 19, показанное на фигуре 8. Далее при повороте вала 7 от 155 до 210 градусов происходит перенос горючей смеси в камеру сгорания 21. Как это происходит показано на фигуре 4. Открылся один из каналов Г-образной накопительной камеры 18, второй в это время еще закрыт и горючая смесь поступает в камеру сгорания 21. Как только какая-нибудь пустотелая прямоугольная лопасть оказывается в положении пустотелой прямоугольной лопасти 14 (фиг.9) происходит воспламенение горючей смеси и совершается рабочий ход (на фиг.8 показано, что пустотелая прямоугольная лопасть 13 совершает рабочий ход и одновременно заканчивает удаление отработанных газов от предыдущего рабочего хода). На диаграмме показано, что воспламенение и горение горючей смеси происходит при повороте вала 7 от 210 до 235 градусов, рабочий ход от 235 до 325 градусов. Выпуск отработанных газов из камеры выпуска отработанных газов 24 через выпускной канал 25 осуществляет та пустотелая прямоугольная лопасть, которая следует за той, что совершает рабочий ход. На фигуре 8 видно, что пустотелая прямоугольная лопасть 13 совершает рабочий ход и одновременно выталкивает отработанные газы, а следующая за ней пустотелая прямоугольная лопасть 14 готовится к рабочему ходу и выпуску отработанных газов. При выпуске газов возникает момент соответствующий повороту вала 7 от 305 до 325 градусов, когда выпускной 25 и впускной канал 27 открыты. Этот момент, например, показан на фигуре 8 между пустотелыми прямоугольными лопастями 13 и 12. При этом происходит окончательное удаление отработанных газов в том числе и из Г-образной накопительной камеры. Выпуск отработанных газов осуществляется при повороте вала 7 от 235 до 325 градусов, после чего следует впуск горючей смеси и все начинается сначала. Так как каждая из пустотелых прямоугольных лопастей 12, 13, 14, 15 участвует одновременно в двух тактах: впуск горючей смеси - сжатие горючей смеси, рабочий ход - выпуск отработанных газов, а всего их четыре, то за один оборот вала 7 роторно-лопастного двигателя совершается четыре такта впуска горючей смеси, четыре такта сжатия горючей смеси, четыре такта переноса горючей смеси из камеры сжатия в камеру сгорания, четыре такта рабочего хода и четыре такта выпуска отработанных газов. В двигателе Ванкеля, принятым за прототип, имеющим трехгранный ротор и три камеры, за один оборот вала двигателя совершается три такта впуска горючей смеси, три такта сжатия, три такта рабочего хода и три такта выпуска отработанных газов. Для работы роторно-лопастного двигателя по циклу четырехтактного дизеля необходимо посредством крана 55 отключить систему подачи бензина во впускной канал 27, передвинуть рычаг 72 двухскоростного редуктора 64 вниз по часовой стрелке. При этом посредством двух полумуфт 68, 71 ведущий вал 66 и ведомый вал 70 соединятся в одно целое, а шестерня 73 выйдет из зацепления с шестерней 76. Шестерни 69, 75, 76 и промежуточный вал 74 станут вращаться вхолостую. Скорость вращения воздухонагнетателя 54 увеличится и количество воздуха, подаваемого во впускную камеру 26, увеличится. Чистый воздух в большем количестве станет поступать через впускной канал 27 во впускную камеру 26 и, как только впускной канал 27 закроется пустотелой прямоугольной лопастью 12 (фиг.8), он станет сжиматься указанной пустотелой прямоугольной лопастью в камере сжатия 28. В это же время позади пустотелой прямоугольной лопасти 12 происходит продувка впускной полости от остатков отработанных газов и наполнение воздухом впускной полости. Так как количество воздуха, поступившего внутрь роторно-лопастного двигателя, увеличилось, то и увеличилась степень сжатия и температура его нагрева. Сжатый чистый воздух переходит из камеры сжатия 28 в Г-образную накопительную камеру 20. Затем, как было описано выше, сжатый воздух переносится в камеру сгорания 21 посредством Г-образной накопительной камеры 20. Как только сжатый воздух через один из двух открывшихся каналов Г-образной накопительной камеры поступит в камеру сгорания, туда насосом высокого давления 51 через форсунку 23 впрыскивается топливо. От высокой температуры топливо воспламеняется и раскаленные газы давят на соответствующую пустотелую прямоугольную лопасть, совершая рабочий ход и заставляя вал 7 роторно-лопастного двигателя поворачиваться на соответствующий угол. После совершения рабочего хода любая пустотелая прямоугольная лопасть проходит через выпускной канал 25, освобождая путь для выхода отработанных газов. И так повторяется снова. При работе в зимнее время с целью улучшения запуска можно дополнительно включать зажигание для улучшения воспламенения топлива. В прерывателе-распределителе предусмотрена стандартная система опережения зажигания, не показанная на чертеже. При работе в режиме четырехтактного дизельного двигателя предусмотрена стандартная система опережения подачи топлива в зависимости от частоты вращения вала 7, не показанная на чертежах. Все вспомогательные механизмы: генератор электрического тока 80, топливные насосы 52, 77, масляный 78 и водяной 79 насосы, редуктор 64 воздухонагнетателя 54 приводятся в движение посредством ременных передач 82 от шкива 83 вала 7 роторно-лопастного двигателя. Система смазки может быть смешанного типа, не показана на чертежах. Частота вращения вала 7 зависит от количества подаваемого топлива и может изменяться в больших пределах. Для остановки роторно-лопастного двигателя, работающего по циклу четырехтактного карбюраторного двигателя, достаточно выключить зажигание, а при работе по циклу четырехтактного дизельного двигателя необходимо прекратить подачу топлива и посредством заслонки, не показанной на чертежах, перекрыть доступ воздуха во впускную камеру.

Положительный эффект: более высокая мощность при тех же размерах (четыре рабочих хода за один оборот вала вместо трех), более прост в изготовлении, может работать на легких и тяжелых сортах топлива.

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эксплуатационных качеств двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что цилиндр выполнен в форме правильного круга, а ротор представляет собой цилиндрическое тело вращения и имеет четыре радиальных паза, в которые вставлены подпружиненные пустотелые прямоугольные лопасти. Между пазами в теле ротора выполнены Г-образные накопительные камеры, оба входа каждой из которых открываются в сторону от оси вращения ротора. Лопасти делят внутренний объем цилиндра на четыре камеры: впускную, сжатия, сгорания и выпускную, а Г-образные накопительные камеры ротора переносят горючую смесь из камеры сжатия в камеру сгорания. Двигатель может работать по циклу четырехтактного карбюраторного или дизельного двигателя и имеет воздухонагнетатель с двухскоростным редуктором. 10 ил.

Роторно-лопастной двигатель, содержащий корпус с рубашкой охлаждения и цилиндром, закрытый передней и задней крышками, ротор, системы питания, охлаждения, зажигания, смазки и запуска, отличающийся тем, что в цилиндр, внутренняя поверхность которого выполнена в форме правильного круга, вставлен ротор, отлитый заодно с валом, концы которого пропущены в отверстия крышек, представляющий собой цилиндрическое тело вращения и имеющий четыре радиальных паза, выполненных под углом 90° один относительно другого в двух взаимно пересекающихся плоскостях, каждая пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения, причем внутрь каждого из них вставлена пустотелая прямоугольная лопасть, имеющая внутри пружину, кроме того, между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входа которой открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна и смещена вниз относительно продольной оси цилиндра так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания, в которую вставлены свеча зажигания и форсунка, камеру выпуска отработанных газов, имеющую выпускной канал, камеру впуска горючей смеси, имеющую впускной канал и камеру сжатия, причем все камеры отделены друг от друга пустотелыми прямоугольными лопастями, кроме того, на заднем конце вала роторно-лопастного двигателя установлены маховик, зубчатый венец которого при запуске взаимодействует с шестерней стартера, и зубчатая шестерня, кинематически соединенная с зубчатыми шестернями привода прерывателя-распределителя зажигания и насоса высокого давления, а на переднем конце установлен шкив, причем прерыватель, один контакт которого заземлен, имеет четырехгранный кулачок, а его второй контакт соединен последовательно с источником тока и одним из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй вывод которой заземлен, а параллельно контактам прерывателя подключен конденсатор, к тому же четыре неподвижных контакта распределителя зажигания соединены между собой проводником в общую шину и подключены к центральному стержню свечи зажигания, корпус которой заземлен, а подвижный контакт распределителя зажигания соединен с одним из выводов вторичной обмотки катушки зажигания, второй вывод которой заземлен, кроме того, форсунка посредством трубопровода соединена с выходом насоса высокого давления, вход которого связан гидравлически через топливный насос с топливным баком, кроме того, вход воздухонагнетателя через фильтр связан с атмосферой, а выход совместно с системой подготовки горючей смеси подключен к входному каналу корпуса, при этом ведомый вал двухскоростного редуктора соединен с валом воздухонагнетателя, а ведущий вал имеет шкив и совместно с топливными насосами, водяным и масляным насосами, генератором электрического тока соединен посредством ременной передачи со шкивом роторно-лопастного двигателя.