РОТОРНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ АРУТЮНОВА Российский патент 2010 года по МПК F02B53/08 F02C5/04 F02C5/11 F02K3/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.

Известен ротационный двигатель [патент DE 2910304, опубл. 25.09.80], в корпусе которого установлен ротор с тремя полостями на боковой поверхности. На корпусе закреплен цилиндр, поршень которого снабжен кривошипно-шатунным механизмом. В процессе работы двигателя поршень проталкивает сжатую рабочую смесь через отверстие в корпусе поочередно в одну из полостей ротора. За счет поворота ротора перепускное отверстие перекрывается и рабочая смесь под действием запальной свечи воспламеняется в замкнутом объеме, ограниченном стенками полости и корпуса, что приводит к значительному повышению давления. При дальнейшем повороте ротора полость соединяется с выпускным отверстием и происходит выхлоп. Недостатком одноцилиндрового роторного двигателя является низкая мощность. Это обусловлено тем, что горение рабочей смеси происходит в замкнутом объеме, при этом создается очень высокое избыточное давление, но вращательного момента не возникает, поскольку он возникает только во время выхлопа.

Этот недостаток частично устраняется в роторном двигателе Кузнецова [патент РФ 2074967, опубл. 10.03.1997]. В корпусе двигателя также расположен ротор, на боковой поверхности которого выполнены три равноудаленные друг от друга полости. На корпусе, непосредственно в плоскости расположения ротора (одна плоскость симметрии, поперечная по отношению к валу ротора), закреплены два цилиндра с поршнями, приводимыми в движение посредством шатунно-кривошипных механизмов. Головка каждого цилиндра сообщается с камерой сгорания, находящейся за пределами корпуса двигателя и которая снабжена запальной свечой. Выходное сопло каждой камеры сгорания направлено внутрь корпуса и при подходе очередной полости ротора сообщается с ней. Вал ротора через систему шестерен связан с шатунно-кривошипными механизмами поршней так, что, когда один поршень находится в крайней «верхней» точке, другой в это время находится в крайней «нижней» точке, т.е. они работают в «противофазе». В отличие от вышеописанного аналога горение рабочей смеси осуществляется в камере сгорания, и в полости ротора поочередно направляются продукты сгорания, что и приводит ротор во вращение. За один оборот ротора каждый поршень успевает выполнить три цикла, а соответственно, ротор испытывает шестиразовое воздействие газов. КПД этого двигателя существенно выше, чем у описанного аналога. Однако для согласования действия двух диаметрально установленных цилиндров, а именно действий шатунно-кривошипных механизмов, в двигателе использована громоздкая шестеренная система передач. Она состоит из шестерни, установленной на валу ротора, двух шестерней на осях обоих кривошипов цилиндров и двух промежуточных шестерней. Таким образом, кинематическая часть привода двигателя по прототипу обладает поперечным габаритом, существенно превышающим диаметр корпуса в зоне расположения ротора. Это определяет низкий показатель удельной мощности на единицу массы двигателя.

Кроме громоздкости эта система еще и не обладает достаточной жесткостью, а значит, и надежностью.

В основу изобретения поставлена задача создания новой надежной и компактной конструкции роторно-реактивного двигателя. Достигаемый технический результат - повышение удельной мощности на единицу массы.

Задача решается следующим образом.

Роторно-реактивный двигатель содержит корпус с расположенным в нем ротором. На корпусе закреплены два цилиндра, в каждом из которых размещен поршень, снабженный шатунно-кривошипным механизмом, который посредством шестеренной передачи соединен с валом ротора. На боковой поверхности ротора выполнены три равноудаленные друг от друга фигурные полости. В корпусе имеются два выпускных сопла и два впускных канала, каждый из которых сообщается с соответствующим цилиндром. От прототипа двигатель отличается тем, что оба цилиндра установлены за или перед ротором, то есть они смещены вдоль оси ротора и не расположены в плоскости ротора. Каждый цилиндр закреплен на корпусе своим торцом со стороны кривошипной камеры. При этом ось кривошипа шатунно-кривошипного механизма каждого цилиндра и шестеренная передача расположены внутри корпуса, внутренний диаметр которого практически равен (с учетом технологического зазора) наружному диаметру ротора или соизмерим с ним, то есть на несколько процентов превышает его значение. Предпочтительно, когда оси цилиндров и впускных каналов лежат в одной диаметральной плоскости, в конструкции предусмотрена раздельная подача окислителя и горючего. При этом цилиндры являются компрессорами, подающими воздух (свежий воздушный заряд) через впускные каналы в полости ротора, а для подачи топлива в полости ротора на корпусе установлены две форсунки.

Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенном ниже примере и иллюстрируется чертежами, на которых представлено: фиг.1 - поперечное сечение двигателя, фиг.2 - продольное сечение (кинематическая схема).

В цилиндрическом корпусе 1 двухцилиндрового роторно-реактивного двигателя имеются, соответственно, два диаметрально ориентированных впускных канала 2, 3, два тангенциально ориентированных выпускных сопла 4, 5 и две форсунки 6, 7, ориентированные также диаметрально, но под углом к осям впускных каналов. Внутри корпуса 1 расположен ротор 8 с тремя равноудаленными друг от друга фигурными полостями 9, 10, 11. Полости 9-11 выполнены на боковой цилиндрической поверхности ротора 8 и ориентированы продольно. С наружной стороны корпуса 1 установлены цилиндры 12, 13 с поршневыми группами с поршнями 14, 15. Каждый цилиндр 12, 13 закреплен на корпусе торцом со стороны кривошипной камеры 16, 17 соответственно. Цилиндры расположены вне зоны ротора, т.е. они расположены за торцевыми плоскостями ротора - за или перед ротором, иными словами, смещены вдоль оси ротора в ту или иную сторону, предпочтительно расположены по одну сторону от ротора. Оси цилиндров лежат в той же диаметральной плоскости, что и оси впускных каналов 2, 3. Предпочтительна радиальная ориентация цилиндров, однако они могут быть установлены и под углом к оси корпуса. Шатунно-кривошипные механизмы цилиндров приводятся в действие общей системой шестеренной передачи, установленной в корпусе двигателя. На валу 18 ротора установлена ведущая шестерня 19, а две ведомые шестерни 20, 21 (по одной на каждый цилиндр) установлены на осях кривошипов 22, 23, которые также установлены внутри корпуса. В «верхней» (нагнетательной) части каждого цилиндра 12, 13 установлены:

- выпускные клапаны 24, 25, соответственно соединяющие цилиндры с впускными каналами 2, 3;

- клапаны 26, 27 избыточного давления;

- всасывающие клапаны 28, 29 для подачи свежего заряда (воздуха) в цилиндры.

Двигатель работает следующим образом.

При движении поршня 14 из крайней верхней точки, вниз происходит всасывание воздуха через всасывающий клапан 28. Движение передается от ротора 8 через кривошип 22 посредством ведущей шестерни 19, жестко закрепленной на оси вала 18 ротора 8, через ведомую шестерню 20, жестко закрепленную на оси кривошипа 22. Ротор 8 совершает вращательное движение.

Достигнув крайней нижней точки, поршень 14, совершая возвратно-поступательное движение, начинает движение вверх, в это время выпускной клапан 24 открывается, и как только поршень 14 достигает крайней верхней точки, весь свежий воздушный заряд с необходимой степенью сжатия и температурой через впускной канал 2 поступает в фигурную полость 9, находящуюся в этот момент в зоне расположения впускного канала. При дальнейшем вращении ротора 8 фигурная полость 9 попадает в сектор форсунки 6 для впрыска топлива. Необходимая степень сжатия и температура воздушного заряда сохраняется неизменной в виду того, что стенки полости 9 плотно прилегают к внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1, образуя непроницаемую камеру сгорания постоянного объема. В процессе впрыска топлива за счет самовоспламенения или под действием искры от искрового разрядника (не показан) в фигурной полости 9 инициируется детонационное горение. Ротор продолжает вращение, полость 9 подходит к выпускному соплу 5 и через него происходит истечение тангенциально направленного газового потока, возникшего при детонационном расширении продуктов горения. Создается вращающий момент, действующий на ротор.

При дальнейшем вращении ротора наступает этап, когда полость 9 соединяется и с соплом 5, и с впускным каналом 3. В это время происходит продувка полости 9 через сопло 5 остаточным давлением воздуха в канале 3 и удаляются остаточные отработанные газы. Это увеличивает мощность и обеспечивает экономию топлива.

Описанные процессы повторяются со всеми фигурными полостями 9, 10, 11. Так как два поршня 14 и 15 работают в противофазе, то за один оборот ротора 8 рабочий процесс совершается дважды в каждой их фигурных полостей 9, 10, 11. То есть за один оборот ротора совершается шесть рабочих циклов, сопровождающихся выхлопами отработанных газов, создающими импульсы вращения ротора.

Работоспособность заявляемого роторно-реактивного двигателя и его показатели были проверены на экспериментальной действующей модели.

Размеры экспериментального двигателя следующие: наружный диаметр цилиндрической части корпуса 60 мм, длина 170 мм, диаметр ротора 40 мм, при внутреннем диаметре корпуса 40^+0.01 мм, диаметр вала 10 мм, его длина 250 мм. В конструкции были использованы два идентичных поршневых компрессора: диаметр цилиндра 50 мм, ход поршня 20 мм. Литровый объем двигателя составил V_дв=0,236 л.

На стендовом испытании роторно-реактивный двигатель показал следующие тактико-технические данные:

- максимальная степень сжатия составила 27:1;

- работа двигателя была ровной, на оборотах от 500 об/мин до 10000 об/мин - стабильна;

- максимальная мощность на валу двигателя 36,7кВт.

Масса двигателя в сборе 2700 г, что составило на 1 кг веса 13,59 кВт.

Таким образом, новое конструктивное решение, при котором цилиндры установлены на корпусе так, что они расположены за торцевыми плоскостями ротора - за или перед ротором, и цилиндры закреплены своими торцами не со стороны поршня, а со стороны кривошипной камеры, позволяет так скомпоновать конструкцию двигателя, что кинематическая схема (кривошипы, шестерни), приводящая в движение поршни обоих цилиндров, расположена внутри корпуса. За пределы внешнего диаметра корпуса выступают только непосредственно цилиндры. В такой конструкции используются всего три небольшие по диаметру шестерни - одна приводная и по одной на каждый цилиндр. Они размещены в общем корпусе и в том же поперечном габарите, что и ротор. Это приводит не только к повышению удельной (на единицу веса) мощности, но и повышает надежность конструкции. Кроме того, продувка камеры сгорания воздухом позволяет увеличить мощность двигателя и обеспечивает экономию топлива.

Изобретение относится к машиностроению. Роторно-реактивный двигатель содержит корпус с расположенным в нем ротором. На корпусе закреплены два цилиндра. В каждом из цилиндров размещен поршень, снабженный шатунно-кривошипным механизмом, который посредством шестеренной передачи соединен с валом ротора. На боковой поверхности ротора выполнены три равноудаленные друг от друга фигурные полости. В корпусе имеются два выпускных сопла и два впускных канала. Каждый из впускных каналов сообщается с соответствующим цилиндром. Оба цилиндра установлены за или перед ротором и закреплены на корпусе торцом со стороны кривошипной камеры. Корпус снабжен двумя форсунками для подачи топлива в полости ротора. Впускные каналы предназначены для подачи воздуха из упомянутых цилиндров в полости ротора. Ось кривошипа шатунно-кривошипного механизма каждого цилиндра и шестеренная передача расположены внутри корпуса. Внутренний диаметр корпуса равен наружному диаметру ротора или соизмерим с ним. Оси цилиндров и впускных каналов лежат в одной диаметральной плоскости. Техническим результатом является повышение удельной мощности двигателя. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Роторно-реактивный двигатель, содержащий корпус с расположенным в нем ротором, на корпусе закреплены два цилиндра, в каждом из которых размещен поршень, снабженный шатунно-кривошипным механизмом, который посредством шестеренной передачи соединен с валом ротора, на боковой поверхности ротора выполнены три равноудаленные друг от друга фигурные полости, в корпусе имеются два выпускных сопла и два впускных канала, каждый из впускных каналов сообщается с соответствующим цилиндром, отличающийся тем, что оба цилиндра установлены за или перед ротором и закреплены на корпусе торцом со стороны кривошипной камеры, корпус снабжен двумя форсунками для подачи топлива в полости ротора, впускные каналы предназначены для подачи воздуха из упомянутых цилиндров в полости ротора, при этом ось кривошипа шатунно-кривошипного механизма каждого цилиндра и шестеренная передача расположены внутри корпуса, внутренний диаметр которого равен наружному диаметру ротора или соизмерим с ним.

2. Роторно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оси цилиндров и впускных каналов лежат в одной диаметральной плоскости.