РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F02B57/06 F01B13/04 F02B33/20 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус с крышкой, два расположенных в корпусе ротора, установленных на валах с возможностью вращения в разные стороны один относительно другого, при этом в каждом роторе расположена цилиндрическая камера, одна из которых является рабочей, другая нагнетательной, в каждой цилиндрической камере установлен жестко закрепленный в роторе цилиндр, соединенный через шатун с валом, ось которого смещена относительно оси вращения ротора, а на валах роторов установлены взаимодействующие друг с другом шестерни, обеспечивающие синхронное встречное вращение валов, на роторах выполнено перепускное отверстие, в корпусах роторов в области расположения цилиндров установлены подпружиненные уплотнительные секторы (см. свидетельство на полезную модель РФ № 9487 5, F02B 57/04 «Роторно-поршневой двигатель», опубликованное 16.03.1999 г.).

Недостатком известного роторно-поршневого двигателя является то, что установка уплотнительных секторов на поверхности вращающегося ротора не обеспечивает надежное уплотнение в связи с быстрым его износом, что вызывает потерю горючей смеси, а замена уплотнительных секторов является трудоемкой операцией, связанной с разборкой двигателя.

Кроме того, невозможно обеспечить перепуск горючей смеси из нагнетательной камеры в рабочую через отверстия в корпусах роторов при их вращении в противоположные стороны, так как отверстия находятся напротив друг друга в течение доли секунды, что является недостаточным для перепуска смеси. При этом в связи с набегом допусков при изготовлении и установке шестерен и цилиндров сложно обеспечить синхронное совпадение расположения рабочего цилиндра и перепускного отверстия.

Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель, содержащий неподвижный полый корпус с внутренней цилиндрической полостью, блок тангенциально расположенных цилиндров с гильзами и поршнями в них, систему газораспределения, соединенную с подпоршневым пространством, и механизм преобразования движения поршней, системы охлаждения и зажигания, выходной вал, жестко соединенный с блоком цилиндров, и опорную ось, при этом двигатель дополнительно снабжен двумя электромагнитными обмотками, расположенными с возможностью электромагнитного взаимодействия, одна из которых расположена на корпусе, а другая на блоке цилиндров, и второй подвижной гильзой, установленной в цилиндре с возможностью поступательного перемещения в нем, опорная ось расположена соосно с блоком, выполнена полой и имеет радиальные отверстия, выполненные с возможностью периодического сообщения с выпускными каналами механизма газораспределения каждого цилиндра, а выходной вал жестко связан с блоком тангенциально расположенных цилиндров (см. патент РФ № 1828503, 5МПК F02B 57/04, «Роторно-поршневой двигатель», опубликованный 27.06.1991 г.).

Недостатком известного роторно-поршневого двигателя является сложный в исполнении ротор, а также ненадежная система уплотнения цилиндров, выполненная в виде дополнительных гильз, установленных с возможностью перемещения относительно цилиндров и находящихся при вращении в постоянном контакте с корпусом, а следовательно, подверженных износу.

Кроме того, система охлаждения, выполненная в виде незначительных по размеру окон и каналов, расположенных в массивном металлоемком роторе между тремя близко расположенными цилиндрами, не может обеспечить эффективное охлаждение роторно-поршневого двигателя.

В случае неисправности в каком-либо цилиндре, например при утечке горючей смеси, необходимо производить разборку двигателя, что является трудоемкой операцией.

Технический результат предусматривает повышение эффективности роторно-поршневого двигателя, его упрощение и повышение ремонтоспособности путем использования унифицированных узлов, повышение надежности уплотнения и охлаждения цилиндров, упрощение системы газораспределения.

Указанный технический результат достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе, содержащем корпус, блок цилиндров с расположенными в них поршнями, механизм преобразования движения поршней, выходной вал, жестко соединенный с блоком цилиндров, и выполненную полой опорную ось, расположенную соосно с блоком цилиндров, систему газораспределения, соединенную с подпоршневым пространством, а также системы охлаждения и зажигания, согласно изобретению блок цилиндров содержит соединенный с подпоршневым пространством и полой опорной осью картер, на котором жестко закреплены снабженные головками и попарно соединенные между собой рабочие и нагнетательные цилиндры, при этом оси рабочих цилиндров смещены в противоположные стороны относительно оси вращения блока цилиндров, механизм преобразования движения поршней выполнен в виде штоков, шарнирно соединенных с поршнями цилиндров и попарно установленных с возможностью вращения на неподвижных осях, которые смещены в противоположные стороны от оси вращения блока цилиндров, причем штоки рабочих цилиндров выполнены дугообразной формы, а цилиндры и головки цилиндров снабжены теплообменными ребрами, рабочие и нагнетательные цилиндры соединены между собой посредством трубок и обратных клапанов.

Наличие соединенного с подпоршневым пространством и полой опорной осью картера, на котором жестко закреплены снабженные головками рабочие и нагнетательные цилиндры, значительно упрощает систему газораспределения и повышает надежность уплотнения цилиндров.

Попарно соединенные посредством трубок и обратных клапанов вращающиеся в одном направлении рабочие и нагнетательные цилиндры позволяют упростить систему перепуска топлива и значительно повысить степень сжатия горючей смеси в рабочих цилиндрах, что обеспечивает экономию топлива и повышает эффективность роторно-поршневого двигателя.

Смещение осей рабочих цилиндров в противоположные стороны относительно оси вращения блока цилиндров позволяет увеличить горизонтальную составляющую силы давления поршня на стенку цилиндра и направлять ее по касательной к траектории его вращения в направлении вращения блока цилиндров, что повышает крутящий момент, а следовательно, эффективность работы роторно-поршневого двигателя.

Выполнение механизма преобразования движения поршней в виде штоков, шарнирно соединенных с поршнями цилиндров и попарно установленных с возможностью вращения на неподвижных осях, которые смещены в противоположные стороны от оси вращения блока цилиндров, позволяет более эффективно преобразовать возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение блока цилиндров и жестко соединенного с ним выходного вала, а также обеспечить синхронную работу цилиндров, что уравновешивает центробежные силы и исключает дисбаланс вращающейся системы.

Выполнение штоков рабочих цилиндров дугообразной формы позволяет повысить эффективность передачи крутящего момента на блок цилиндров и выходной вал, а также уменьшить габариты роторно-поршневого двигателя.

Наличие на головках и цилиндрах теплообменных ребер позволяет упростить и улучшить систему охлаждения роторно-поршневого двигателя.

Предлагаемая совокупность признаков заявляемого изобретения позволяет создать малогабаритный и дешевый двигатель за счет возможности использования унифицированных узлов, а также повысить его эффективность за счет повышения крутящего момента и более высокой степени сжатия горючей смеси. При этом двигатель прост в обслуживании и ремонте за счет возможности доступа к любому узлу или детали и простого способа замены унифицированных узлов.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного выполнения роторно-поршневого двигателя.

На фиг.1 изображено поперечное сечение роторно-поршневого двигателя.

На фиг.2 изображен блок цилиндров в разрезе А-А фиг.1.

Роторно-поршневой двигатель содержит корпус 1, блок цилиндров 2, выходной вал 3, жестко соединенный с блоком цилиндров 2, и выполненную полой опорную ось 4, расположенную соосно с блоком цилиндров 2. Блок цилиндров 2 содержит картер 5, на котором жестко закреплены попарно соединенные между собой рабочие цилиндры 6 и нагнетательные цилиндры 7. Рабочие цилиндры 6 установлены на противоположных сторонах картера 5, и их оси смещены в противоположные стороны относительно выходного вала 3 и полой опорной оси 4, являющихся осью вращения блока цилиндров 2. Нагнетательные цилиндры 7 расположены на других противоположных сторонах картера 5. Рабочие цилиндры 6 и нагнетательные цилиндры 7 снабжены поршнями 8 и головками цилиндров 9. При этом в качестве рабочих 6 и нагнетательных цилиндров 7 использованы унифицированные и серийно выпускаемые цилиндры, используемые, например, в двухтактных мотоциклах. Картер 5 соединен с подпоршневым пространством 10, а также с карбюратором (не показан на чертеже) через отверстие 11 в полой опорной оси 4.

Механизм преобразования движения поршней выполнен в виде штоков 12, шарнирно соединенных с поршнями 8 рабочих цилиндров 6 и штоков 13, шарнирно соединенных с поршнями 8 нагнетательных цилиндров 7. Штоки 12 и 13 попарно установлены с возможностью вращения на неподвижных осях, при этом одна пара штоков 12 и 13 установлена на неподвижной оси 14, другая пара штоков 12 и 13 установлена на неподвижной оси 15. Оси 14 и 15 смещены в противоположные стороны от оси вращения блока цилиндров 2. При этом ось 14 расположена на полой опорной оси 4, а ось 15 своими концами закреплена в цапфах 16 и 17. Цапфа 16 закреплена на неподвижной оси 14, а цапфа 17 посредством подшипника 18 соединена выходным валом 3. Штоки 12 рабочих цилиндров 6 выполнены дугообразной формы.

Рабочие цилиндры 6 и нагнетательные цилиндры 7 соединены между собой при помощи трубки 19 и обратного клапана 20, расположенного на головке 9 нагнетательного цилиндра 7, и перепускного отверстия 21, расположенного на головке 9 рабочего цилиндра 6.

Система газораспределения выполнена в виде картера 5, соединенного с подпоршневым пространством 10 и через отверстие 11 в полой опорной оси 4 с карбюратором (на чертеже не показан), а также впускных каналов 22 и выхлопных отверстий 23.

Система зажигания выполнена в виде свечи 24, соединенной посредством подвижных контактов с источником высокого напряжения (на чертеже не показаны).

Рабочие и нагнетательные цилиндры 6 и 7, а также головки цилиндров 9 снабжены теплообменными ребрами 25.

Роторно-поршневой двигатель работает следующим образом.

При вращении блока цилиндров 2, шарнирно закрепленные на осях 14 и 15 штоки 12 и 13 за счет смещения этих осей в противоположные стороны относительно оси вращения блока цилиндров 2 начинают при их вращении совершать возвратно-поступательное движение. Под действием штоков 12 и 13 поршни 8 в рабочих цилиндрах 6 и нагнетательных цилиндрах 7 также осуществляют возвратно-поступательное движение, создавая при движении вверх к головке 9 цилиндров 6 и 7 разрежение в картере 5 и впуская рабочую смесь в него и в подпоршневой объем 10 через отверстие 11 в полой опорной оси 4, соединенное с карбюратором (не показан). При дальнейшем вращении блока цилиндров 2 рабочая смесь частично сжимается и перепускается в надпоршневой объем с помощью впускных каналов 22. При подходе поршней 8 нагнетательных цилиндров 7 к верхней «мертвой» точке, под действием высокого давления рабочей смеси открываются обратные клапаны 20, расположенные на головках 9 нагнетательных цилиндров 7. При этом сжатая смесь через трубки 19 и перепускное отверстие 21 поступает в рабочие цилиндры 6. Перепуск сжатой смеси из нагнетательного цилиндра 7 в рабочий цилиндр 6 происходит одновременно в каждой паре цилиндров. Затем в рабочих цилиндрах 6 при дальнейшем движении вверх поршней 8 происходит перекрытие перепускных отверстий 21 и продолжается дальнейшее сжатие рабочей смеси. В верхней «мертвой» точке одновременно в обоих рабочих цилиндрах 6 происходит воспламенение рабочей смеси от свечей 24. Под действием расширяющейся рабочей смеси поршни 8 смещаются вниз. При этом поршни 8 воздействуют на рабочие цилиндры 6 за счет боковой составляющей силы давления, направленной по касательной к траектории вращения цилиндров 6, создавая момент вращения и заставляя вращаться блок цилиндров 2. После перепуска сжатой рабочей смеси из нагнетательных цилиндров 7 в рабочие цилиндры 6 поршни 8 этих цилиндров смещаются вниз, и открывается выхлопное отверстие 23. Затем открываются впускные каналы 22, и осуществляется продувка рабочих цилиндров 6, после чего цикл повторяется. Охлаждение блока цилиндров 2 происходит за счет развитой системы радиаторов - теплообменных ребер 25, расположенных на цилиндрах 6 и 7 и головках цилиндров 9.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении эффективности двигателя, а также в упрощении и повышении надежности его конструкции. Согласно изобретению двигатель содержит корпус, блок цилиндров, поршни, связанные со штоками, выходной вал и опорную ось. Блок цилиндров установлен и вращается в корпусе на соосных друг другу опорной оси и выходном валу, который жестко соединен с блоком цилиндров. При этом блок цилиндров содержит картер, на котором жестко закреплены попарно соединенные между собой рабочие и нагнетательные цилиндры, снабженные поршнями. Механизм преобразования движения поршней выполнен в виде штоков, один конец которых шарнирно связан с поршнями, а второй - с неподвижными осями, жестко связанными с опорной осью и параллельно смещенными по отношению к оси вращения блока цилиндров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус, блок цилиндров с поршнями, механизм преобразования движения поршней, выходной вал, жестко соединенный с блоком цилиндров, и выполненную полой опорную ось, расположенную соосно с блоком цилиндров, систему газораспределения, соединенную с подпоршневым пространством, а также системы охлаждения и зажигания, отличающийся тем, что блок цилиндров содержит соединенный с подпоршневым пространством и полой опорной осью картер, на котором жестко закреплены снабженные головками и попарно соединенные между собой рабочие и нагнетательные цилиндры, при этом оси рабочих цилиндров смещены в противоположные стороны относительно оси вращения блока цилиндров, механизм преобразования движения поршней выполнен в виде штоков, шарнирно соединенных с поршнями цилиндров и попарно установленных с возможностью вращения на неподвижных осях, которые смещены в противоположные стороны от оси вращения блока цилиндров, причем штоки рабочих цилиндров выполнены дугообразной формы, а цилиндры и головки цилиндров снабжены теплообменными ребрами.2. Роторно-поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие и нагнетательные цилиндры соединены между собой посредством трубок и обратных клапанов.