РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 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 рабочими камерами, образованными двумя пересекающимися цилиндрическими рабочими полостями, в которых установлены взаимно сопряженные вращающиеся ротор компрессора и ротор турбины 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 М.кл. 2 F02B 55/00, F02B 55/14).

Основным недостатком этого двигателя является нерациональность в термодинамическом отношении конструкции его камеры сгорания, связанная со сложностью ее охлаждения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с камерой сгорания, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся диски с разными диаметрами, параллельно закрепленные на валу. Диаметр диска, являющегося ротором турбины, меньше диаметра диска, являющегося ротором компрессора. В диске, являющемся ротором компрессора, 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. Диск, являющийся ротором турбины, снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом и подпружиненной заслонкой и расположенным на наружной поверхности этого диска. Камера сгорания выполнена в виде соосных внешнего, среднего и внутреннего цилиндров, установленных друг в друге, и размещена снаружи относительно диска, являющегося ротором турбины. Внешний цилиндр разделен плоскостью, проходящей через оси вала и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска, являющегося ротором компрессора, с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза этого 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. В этом роторно-поршневом двигателе осуществляется сжатие топлива в роторе компрессора и одновременное перемещение рабочей смеси в камеру сгорания, где смесь и сгорает. Тепловая энергия передается на ротор турбины, где и превращается в механическую энергию (см. патент RU 2193676, МПК⁷ F02B 53/08).

Основным недостатком вышеописанного роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания является малая эффективная мощность вследствие получения на валу двигателя небольшого крутящего момента, так как диаметр диска, являющегося ротором турбины, гораздо меньше диаметра диска, являющегося ротором компрессора. Известно, что эффективность двигателя определяется из выражения

Ne=(Ме·n)/9750,

где Me - крутящий момент, Нм;

n - частота вращения вала двигателя.

Из этого выражения видно, что увеличить эффективную мощность двигателя можно либо путем увеличения частоты вращения вала двигателя, либо увеличением крутящего момента. Частоту вращения вала двигателя намного увеличивать нельзя, исходя из опыта работы поршневого двигателя, так как в поршневом двигателе, как и в роторно-поршневом, есть детали, совершающие возвратно-поступательное движение. Кроме того, двигатели наземных транспортных средств (автомобиль, трактор) работают в основном на переменных режимах и поэтому значительное увеличение частоты вращения вала двигателя практически нецелесообразно. Для двигателей наземных транспортных средств важно увеличение именно крутящего момента, так как при работе на переменных режимах транспортному средству нужна высокая эффективная мощность двигателя.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективной мощности роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания путем увеличения крутящего момента на валу двигателя.

Для достижения названого технического результата в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с камерой сгорания, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся диски с разными диаметрами, параллельно закрепленные на валу, при этом в диске, являющемся ротором компрессора, 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, а диск, являющийся ротором турбины, 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 и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска, являющегося ротором компрессора, с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза этого 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, согласно изобретению диаметр диска, являющегося ротором турбины, больше диаметра диска, являющегося ротором компрессора, и диск, являющийся ротором турбины, выполнен в виде короткого цилиндрического элемента, выступ которого расположен на его внутренней поверхности. Камера сгорания размещена внутри диска, являющегося ротором турбины.

Увеличение крутящего момента на валу двигателя обеспечивается тем, что диаметр диска, являющегося ротором турбины, больше диаметра диска, являющегося ротором компрессора, так как камера сгорания расположена внутри диска, являющегося ротором турбины, а не вне него, что использовано в изобретении, выбранном в качестве прототипа.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 - разрез по линии А-А фиг.1; на фиг.3 - разрез по линии Б-Б фиг.1; 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 диска 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). Диаметр диска 2, являющегося ротором турбины, больше диаметра диска 1, являющегося ротором компрессора. Диск 2, являющийся ротором турбины, выполнен в виде короткого цилиндрического элемента. В верхней части диска 1, являющегося ротором компрессора, имеется паз 5 прямоугольной формы, расположенный по радиусу диска. Паз 5 имеет разную глубину, плавно изменяющуюся от «нулевой» глубины до максимальной и обратно. Так глубина паза плавно увеличивается от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги окружности диска 1 и плавно уменьшается от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности диска 1. Диски 1 и 2 размещены в параллельных рабочих полостях, образующих рабочие камеры, причем рабочая камера диска 1 образована поверхностями паза 5 диска 1 и корпусом 4 двигателя, а рабочая камера диска 2 - внутренней поверхностью диска 2 и корпусом 4 двигателя. Вал 3 с установленными на нем дисками 1 и 2 одновременно является и валом отбора мощности.

В корпусе 4 двигателя параллельно валу 3 внутри диска 2, являющегося ротором турбины, размещена 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 диска 1, разделен на два полуцилиндра плоскостью, проходящей через ось вала 3 и осью 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 диска 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 диска 1. Днище полуцилиндра 10 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 диска 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 под внутренней поверхностью диска 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), обращенном в сторону диска 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 под внутренней поверхностью диска 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 диска 2, имеется отверстие для свечи зажигания 18.

Часть цилиндров 8 и 9, имеющая перепускные окна 14 и 17 соответственно, располагается под внутренней поверхностью диска 2, таким образом, что выступ 19, расположенный на внутренней поверхности диска 2, являющегося ротором турбины, плотно соприкасается с корпусом 1 и проходит в непосредственной близости от поверхности среднего цилиндра 8 камеры сгорания 6. В корпусе 4 двигателя под рабочей поверхностью диска 2 расположена заслонка 20, прижимающаяся к внутренней поверхности диска 2 пружиной 21 и имеющая возможность контакта с выступом 19 диска 2.

Рабочая камера диска 1 (см. фиг.1), образованная корпусом 4 двигателя и пазом 5 диска 1, разделена полуцилиндром 10 (см. фиг.5) и выступом 22 диска 1, соответствующим нулевой глубине паза 5 (см. фиг.1) диска 1, на камеру впуска 23 (см. фиг.5) и камеру сжатия 24. Рабочая камера диска 2 (см. фиг.4), образованная корпусом 4 двигателя и внутренней поверхностью диска 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) диска 1.

Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено:

- стрелками на фиг.1, 4, 5 - направления вращения дисков 1,2;

- пунктирными линиями на фиг.2 - возможные положения полуцилиндра 10 в пазу 5 диска 1;

- стрелками с надписями на фиг.2, 4 - направления движения рабочей и отработавшей соответственно смеси.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

За начало отсчета принимаем положение диска 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 дисков 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 от 0 до 360°. При вращении диска 1 за полуцилиндром 10 создается разрежение, и рабочая 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 (см. фиг.1) от 360 до 720° и заканчивается тогда, когда нулевое углубление (см. фиг.5) паза 5 диска 1 подойдет к полуцилиндру 10, который займет крайнее правое положение 29 (см. фиг.2). На угле поворота вала 3 (см. фиг.1) от 360° до 520-540° (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 камеры сгорания 6 (см. фиг.2), где и будет происходить дальнейшее ее сжатие вплоть до 720° поворота вала 3 (см. фиг.1), т.е. до того момента, когда нулевое углубление паза 5 (см. фиг.5) диска 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 рабочая смесь окажется в сжатом состоянии в цилиндре 9 камеры сгорания 6.

3 такт - рабочий ход происходит на угле поворота вала 3 (см. фиг.1) от 720 до 1080°. При этом при угле поворота вала 3, равном 720°, происходит воспламенение рабочей смеси в цилиндре 9 камеры сгорания 6 за счет проскакивания искры в свече зажигания 18. В этот же момент начинают совмещаться 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 диска 2, заставляя диск 2 вращаться и создавать крутящий момент на валу 3 двигателя. При вращении диска 2 от 720 до 1080° происходит перемещение горящих газов по окружности.

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

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

При постоянной работе двигателя происходит следующее. При вращении дисков от 0 до 360° в рабочей полости диска 1 (см. фиг.5) происходит одновременно сжатие (камера сжатия 24) и впуск рабочей смеси (камера впуска 23), а в рабочей полости диска 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), равном 360°.

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. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить эффективную мощность роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания путем увеличения крутящего момента на валу двигателя, так как горящая топливовоздушная смесь, создающая высокое давление, воздействует на выступ диска, являющегося ротором турбины, находящегося на большем радиусе от оси вращения, чем у двигателя, выбранного в качестве прототипа.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить мощность двигателя. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с камерой сгорания, рабочими камерами и вращающиеся диски с разными диаметрами, параллельно закрепленные на валу. В диске, являющемся ротором компрессора, 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. Диск, являющийся ротором турбины, 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 и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска, являющегося ротором компрессора, с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза этого 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. Диаметр диска, являющегося ротором турбины, больше диаметра диска, являющегося ротором компрессора. Диск, являющийся ротором турбины, выполнен в виде короткого цилиндрического элемента, выступ которого расположен на его внутренней поверхности. Камера сгорания размещена внутри диска, являющегося ротором турбины. 5 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с камерой сгорания, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся диски с разными диаметрами, параллельно закрепленные на валу, при этом в диске, являющемся ротором компрессора, 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, а диск, являющийся ротором турбины, 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 и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых жестко закреплен в корпусе, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска, являющегося ротором компрессора, с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию паза этого 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, отличающийся тем, что диаметр диска, являющегося ротором турбины, больше диаметра диска, являющегося ротором компрессора, и диск, являющийся ротором турбины, выполнен в виде короткого цилиндрического элемента, выступ которого расположен на его внутренней поверхности, при этом камера сгорания размещена внутри диска, являющегося ротором турбины.