ДВУХОСЕВОЙ РОТОРНО-КАМЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДоРК ДВС) Российский патент 2012 года по МПК F02B57/04 F01B15/00 F01C1/44 F02D15/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться в качестве силового агрегата в транспортных машинах и стационарных установках.

В настоящее время широкое применение получили поршневые ДВС с кривошипно-шатунным механизмом преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя, но эта кинематическая схема исчерпала свои возможности, и значительное увеличение мощности требует увеличения энергоемкости и массы двигателя.

Известен роторно-поршневой двигатель (см. патент RU 2158375 С1, опубликован 27.10.2000 F02B 57/00. 53/00), содержащий корпус с цилиндрической полостью, торцевые крышки корпуса с направляющими канавками на их внутренних поверхностях, установленный в полости ротор с цилиндрами, расположенными равномерно по окружности и ориентированными вдоль оси ротора, и поршни, выполненные в виде лопаток дугообразного профиля, установленных в цилиндрах с возможностью их поворота относительно образующих ротора. Поршни снабжены фиксирующими и направляющими пальцами, ориентированными параллельно образующим ротора, при этом свободные концы фиксирующих пальцев жестко закреплены в торцевых стенках ротора, а направляющих - свободно пропущены через серповидные отверстия в последних и через посредство подшипниковых опор вставлены в направляющие канавки крышек корпуса.

При вращении ротора направляющие пальцы поршней, свободные концы которых катятся по опорам в направляющих канавках, вращаются совместно с ротором, оставаясь параллельными его образующим, и одновременно по определенной траектории смещаются в радиальном направлении. При этом поршни, связанные с пальцами, согласованно перемещаются в цилиндрах, изменяя объем камер сгорания и обеспечивая тем самым цикличность и длительность рабочих тактов двигателя. Траектория радиального перемещения направляющих пальцев и, соответственно, цикличность и длительность рабочих тактов задаются формой контура направляющих канавок.

Основными недостатками известного двигателя являются его неприемлемо низкие скоростные характеристики, мощность и надежность. Указанные недостатки обусловлены использованием радиальных уплотнений, установленных на образующих ротора и контактирующих с внутренней поверхностью корпуса, которые при значительном увеличении оборотов, в результате действия центробежных сил, вызывают повышенный износ корпуса, разрушение уплотнений и корпуса двигателя. Кроме того, в указанном двигателе положительный крутящий момент возникает в результате действия давления газов на ротор, но давление газов па поршень создает отрицательный крутящий момент, что приводит к потерям энергии и мощности.

Известен также роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU 2239073 С2, опубликован 27.10.2004 F02B 53/00), содержащий цилиндрический корпус, в котором эксцентрично установлен цилиндрический ротор, сопряженный своей поверхностью с внутренней поверхностью корпуса, с герметизацией полостей сжатия и горения. Ротор на своей поверхности имеет сегментные срезы, дающие возможность периодически соединять полости сжатия и горения, в пазу ротора, проходящем через его ось, установлена одна плавающая лопасть с Г-образными наконечниками, постоянно прижатыми к внутренней поверхности корпуса.

В указанном двигателе герметизация полостей горения и сжатия осуществляется сопряженными поверхностями ротора и зеркала корпуса, с которым постоянно сопряжена плавающая Г-образная лопасть. Значительные центробежные нагрузки приводят к износу зеркала корпуса, нарушают герметизацию, снижают моторесурс и надежность двигателя. Кроме того, давление газов на ротор создает значительные знакопеременные нагрузки на вал двигателя, приводит к вибрации, потере энергии и мощности.

За прототип принята машина (см. патент RU 2140544 С1, опубликован 27.10.1999 F01C 1/44. F02B 53/00. F04C 2/44. F01C 11/00), содержащая корпус с внутренней цилиндрической поверхностью, закрытый крышками, ось, на которой последовательно установлено четное количество, по меньшей мере два рабочих органа, связанных с валом. Рабочие органы машины снабжены поршнями, шарнирно связанными с ними, имеющими форму усеченного сегмента, размещенными диаметрально с возможностью качения и сопряженными с внутренней поверхностью корпуса. Рабочие камеры машины образованы рабочими органами с поршнями и осью и дополнительно образованы рабочими органами с поршнями и внутренней поверхностью корпуса. Машина содержит механизм распределения рабочего тела, выполненный в виде каналов в теле оси, в стенках подвижного кольца, установленного на ось, привод которого осуществляется с помощью зубчатых колес от вала машины, и в стенках корпуса. Машина содержит элементы уплотнения рабочих камер, установленные в стенках поршней и рабочих органов. Машина может использоваться как ДВС, как компрессор, как насос и как насос и двигатель одновременно.

В случае применения машины в качестве ДВС каждый рабочий орган имеет один поршень, но т.к. машина имеет четное число рабочих органов, поршень каждого рабочего органа относительно другого рабочего органа размещен диаметрально. В камерах, образованных осью и рабочим органом с поршнями, за два оборота рабочего органа (в случае, если внутренняя поверхность корпуса выполнена цилиндрической) происходит четырехтактный цикл ДВС.

Такой вариант компоновки машины оказывается не работоспособным, поскольку механизм распределения рабочего тела выполнен в виде продольных каналов в теле неподвижной оси, разделенной диаметральной перегородкой. При диаметральной установке рабочих органов всасывающий канал неподвижной оси для первого рабочего органа оказывается выпускным каналом для второго рабочего органа, а выпускной канал первого - всасывающим для второго.

В частном случае, если внутренняя поверхность корпуса выполнена овальной, четырехтактный цикл происходит за один оборот рабочего органа, а газораспределительный механизм обеспечивает работоспособность машины даже при многопоршневой компоновке двигателя.

Описанный прототип имеет существенные недостатки, ограничивающие применение машины в качестве двигателя внутреннего сгорания.

- Сложность обеспечения герметичности газораспределительного механизма при вращении поверхностей контакта, что приводит к прогоранию уплотнений, особенно выпускных каналов.

- Значительные динамические нагрузки в точках контакта поршня и корпуса приводят к интенсивному износу основного конструктивного элемента - корпуса машины и снижают моторесурс, особенно при значительных оборотах и мощности двигателя.

- Технологическая сложность и высокая стоимость изготовления овального корпуса машины по сравнению с цилиндрическим.

- Интенсивный износ торцевого уплотнения рабочих камер при скольжении по внутренней поверхности крышек корпуса и разгерметизация рабочих камер.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в разработке экономичного и надежного двигателя повышенной мощности и КПД, с максимально возможным крутящим моментом при сравнимых показателях энергопотребления.

Технический результат достигается в Двухосевом роторно-камерном двигателе внутреннего сгорания (ДоРК ДВС), содержащем цилиндрический статор с крышками, в котором эксцентрично установлен цилиндрический ротор. Согласно изобретению на крышках статора смонтированы фальш-крышки изменения степени сжатия. В цилиндрическом роторе выполнено нечетное количество рабочих камер, по меньшей мере три, имеющих форму сектора, а ротор с торцов герметично закрыт дисковыми вал-крышками с установленными в них свечами зажигания, причем в каждой рабочей камере установлен равный по размерам и форме рабочий орган с возможностью ограниченного поворота вокруг оси, проходящей через вершину сектора рабочей камеры и ориентированной вдоль образующей ротора. Внешней стороной рабочий орган контактирует с промежуточным цилиндром через опорный палец, консольные концы которого установлены с возможностью свободного перемещения по окружности в торцевых направляющих канавках промежуточного цилиндра, установленного в статор с возможностью свободного вращения вокруг общей геометрической оси. Кроме того, вал-крышки и ротор выполнены полыми, а полость в роторе разделена перпендикулярной оси перегородкой на две части, каждая из которых через канал в теле ротора и всасывающий либо выпускной клапан соединена с рабочей камерой. Кроме того, на передней торцевой дисковой вал-крышке ротора для каждой рабочей камеры смонтирован редуктор привода кулачкового вала механизма газораспределения. Кроме того, на передней и задней крышках статора установлены фальш-крышки изменения степени сжатия, с возможностью фиксированного перемещения параллельно прямой, соединяющей геометрические оси статора и ротора, в фальш-крышках также смонтированы подшипники вала ротора и неподвижные электроконтакты свечей зажигания, а на передней, дополнительно, неподвижная шестерня привода механизмов газораспределения.

На фиг.1 и 2 представлен трехкамерный Двухосевой роторно-камерный (ДоРК) четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси от внешнего электроисточника.

На фиг.1 показан ДоРК ДВС в поперечном разрезе А-А фиг.2.

На фиг.2 показан продольный разрез Б-Б фиг.1.

На фиг.3 показана внутренняя поверхность передней крышки статора с фальш-крышкой в разрезе В-В фиг.2.

На фиг.4 показан разрез двигателя и передняя вал-крышка ротора в разрезе Г-Г фиг.2.

Двухосевой роторно-камерный ДВС состоит из цилиндрического статора 1, закрытого передней 2 и задней 3 крышками. В статоре установлен промежуточный цилиндр 4, имеющий возможность свободного вращения внутри статора и выполняющий роль подшипника скольжения, воспринимающий радиальную нагрузку от опорных пальцев 5 рабочих органов 6 и передающий ее на статор, при этом снижается удельное давление и износ поверхностей трения.

Ротор 7 установлен в статоре 1, его геометрическая ось параллельна и смещена относительно геометрической оси статора на некоторую величину, которая зависит от заданных параметров рабочего объема двигателя, а диаметр меньше, чем внутренний диаметр промежуточного цилиндра и не контактирует с ним. В роторе выполнены, равномерно по окружности, нечетное количество, минимально три, рабочие камеры 8, имеющие в сечении форму сектора с вершиной на образующей, по длине равные длине ротора, радиус образующей сектора совмещен с радиусом ротора, но меньше его, и определяется заданными характеристиками рабочего объема, крутящего момента и мощности двигателя.

Герметичность рабочих камер 8 обеспечивается торцевыми дисковыми вал-крышками 12 и 9 ротора 7, выполненными совместно с передним и задним частями вала двигателя. В каждой вал-крышке выполнены резьбовые отверстия и в них установлены свечи зажигания 10 для каждой рабочей камеры. В каждой рабочей камере установлен рабочий орган 6, имеющий форму сектора, вершина которого соответствует вершине сектора рабочей камеры, а размеры радиуса и длины выполнены с допусками, обеспечивающими перемещение и герметичность при лабиринтном уплотнении рабочих камер. Рабочий орган имеет возможность ограниченного вращения вокруг осевого пальца 11, установленного в вершинах секторов, ориентированного параллельно образующей ротора и свободными концами закрепленного в соответствующих отверстиях вал-крышек 12 и 9 ротора 7. На внешней стороне рабочего органа имеются проушины, выступающие за диаметр ротора, в которых на подшипниках установлен опорный палец 5, опирающийся, с возможностью качения, на внутреннюю окружность промежуточного цилиндра 4, а консольными концами удерживаемый в кольцевых направляющих торцевых канавках 13 промежуточного цилиндра 4, обеспечивая ограниченное вращательное движение рабочих органов 6 вокруг осевых пальцев 11 и, следовательно, заданное изменение объема рабочих камер 8 ротора 7.

Поступление горючей смеси и выпуск отработанных газов обеспечивается через цилиндрическую полость ротора, имеющего перпендикулярную оси перегородку 14, и цилиндрические осевые полости 15 вал-крышек 12 и 9 ротора 7. Каждая полость ротора, соответственно всасывающими или выпускными каналами 16 в теле ротора, сообщается через всасывающие или выпускные клапаны 17 с рабочими камерами 8. Всасывающие и выпускные клапаны каждой рабочей камеры управляются кулачковым валом 18, установленным на подшипниках в теле ротора параллельно его оси. На кулачковом валу 18 установлена шестерня червячного редуктора 19, который смонтирован на передней вал-крышке 12. На вал привода червяка установлена коническая шестерня 20 привода редуктора 19, находящаяся в зацеплении с конической неподвижной шестерней 21, закрепленной на передней фальш-крышке 22. Газораспределительный механизм обеспечивает один оборот кулачкового вала за два оборота ротора.

Передняя 22 и задняя 23 фальш-крышки установлены на крышках 2, 3 статора 1 с возможностью фиксированного перемещения по направляющим 24 параллельно прямой, соединяющей геометрические оси статора и ротора. В фальш-крышках на подшипниках установлен вал ротора, а на внутренних торцевых поверхностях смонтированы изолированные неподвижные электроконтакты 25 в форме дуги окружности, для передачи электрического заряда на контакты свечей зажигания 10. Фиксированное перемещение статора относительно ротора по направляющим 24 фальш-крышек 22 и 23, при условии сохранения параллельности геометрических осей ротора и статора, позволяет изменять межосевое расстояние и, следовательно, изменять степень сжатия в рабочих камерах двигателя.

Воспламенение рабочей смеси происходит от двух свечей зажигания 10, установленных в вал-крышках 12 и 9 ротора. Необходимое напряжение для искрового разряда подается от внешнего электроисточника через неподвижный электроконтакт 25, смонтированный на фальш-крышках 22 и 23 статора, что также позволяет регулировать угол опережения зажигания.

Изменение степени сжатия и угла опережения зажигания позволяет оперативно адаптировать двигатель к различным видам жидкого и газообразного топлива.

Возможен вариант двигателя с воспламенением рабочей смеси от сжатия, без электрозажигания, и управляемом впрыске топлива в канал всасывания, либо смешанный вариант: запуск двигателя с электрозажиганием, а работа в режиме самовоспламенения.

Изменение расстояния точки опоры (опорного пальца 5) от оси вращения (осевого пальца 11) рабочего органа 6 изменяет скорость термодинамических процессов в рабочей камере, а подрессоривание опорного пальца позволяет снизить динамические нагрузки в процессе самовоспламенения рабочей смеси и детонации топлива.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

При вращении ротора (фиг.1) по часовой стрелке изменяется радиус вращения точки опоры (опорного пальца) рабочего органа и, следовательно, объем рабочей камеры. За два оборота в рабочей камере реализуется полный цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания: всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск. После прохождения опорного пальца рабочего органа верхней точки (М), - минимального расстояния от оси ротора до окружности промежуточного цилиндра, объем рабочей камеры увеличивается - идет такт всасывания, который продолжается до нижней точки (К) - максимального расстояния от оси ротора до окружности промежуточного цилиндра. При дальнейшем движении опорного пальца по окружности от точки (К) до точки (М) объем рабочей камеры уменьшается - идет такт сжатия. При втором обороте от точки (М) до точки (К) происходит воспламенение смеси и рабочий ход, а при движении от точки (К) до точки (М) идет такт выпуска отработанных газов, после чего цикл повторяется.

Нечетное количество рабочих камер обеспечивает последовательность и чередование тактов, например: в точке (М) в 1-ой камере начинается такт всасывание, через поворот на 120 градусов - 2-я камера рабочий ход, через поворот на 240 градусов - 3-я камера всасывание, через 360 градусов - 1-я камера рабочий ход, через 480 градусов - 2-я камера всасывание, через 600 градусов - 3-я камера рабочий ход, через 720 градусов - 1-я камера всасывание и повторение цикла.

В случае увеличения количества рабочих камер интервалы между повторяющимися тактами уменьшаются, например, при продолжительности такта 180 градусов в трехкамерном двигателе интервал составляет 240 градусов, а в пятикамерном двигателе интервал составляет 144 градуса угла поворота точки опоры (опорного пальца 5) рабочего органа.

В процессе такта «рабочий ход» давление газов в рабочей камере воздействует на ротор и рабочий орган, который через промежуточный цилиндр передает давление на статор двигателя. Положительный вектор результирующей силы давления газов, действующих на ротор, направлен по касательной и обеспечивает максимально возможный крутящий момент вала двигателя при заданном радиусе точки приложения силы. Вектор результирующей силы, действующий на рабочий орган, передает усилие через опорный палец на промежуточный цилиндр по которому палец имеет возможность прокатываться, а промежуточный цилиндр, как подшипник скольжения, свободно вращается во внутренней поверхности статора в результате воздействия вектора касательной составляющей, направленной в сторону вращения ротора. Вектор реакции нормальной составляющей компенсируется удельным давлением промежуточного цилиндра на статор, что значительно уменьшает износ трущихся поверхностей скольжения, а в результате суммарного воздействия на промежуточный цилиндр рабочих органов нескольких рабочих камер, частично компенсируется удельное давление промежуточного цилиндра на статор, что способствует увеличению межремонтного срока работы двигателя.

Увеличение расстояния рабочих камер от оси ротора, без изменения их объема, позволяет увеличить крутящий момент двигателя за счет увеличения радиуса приложения вектора результирующей силы давления газов и изготовить тихоходный двигатель с достаточно большим крутящим моментом, но при соответствующем увеличении его габаритов.

Мощность двигателя можно повысить при использовании турбонаддува, для чего во всасывающую полость ротора установить центробежный нагнетатель, а в выпускную, на общей оси, газовую турбину для использования энергии отработанных газов.

Герметичность рабочих камер обеспечивается достаточно большой площадью поверхностей контакта, а отсутствие внешних сил трения позволяет использовать лабиринтное уплотнение, либо в отдельных случаях дополнительное уплотнение рабочего органа.

В двигателе применяется комбинированная система смазки. Наиболее нагруженные поверхности промежуточного цилиндра и подшипники скольжения смазываются под давлением, а поверхности рабочих органов и ротора смазываются разбрызгиванием. Использованное масло очищается и охлаждается в автономном теплообменнике.

Система охлаждения двигателя может быть как воздушной, так и жидкостной. Для воздушной необходимо выполнить оребрение статора и крышек, а для жидкостной необходимо выполнить охлаждающие каналы в теле статора и крышек, обеспечить циркуляцию и охлаждение жидкости.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность регулировки степени сжатия рабочей смеси путем изменения эксцентриситета ротора относительно статора в пределах конструктивных возможностей двигателей конкретной компоновки, а при расчете термодинамического процесса изменение расстояния точки опоры рабочего органа от его оси вращения позволяет оптимизировать рабочий процесс и изготовить многотопливный двигатель.

Использование промежуточного цилиндра в качестве интегрирующего устройства для компенсации нагрузки от рабочих органов на статор позволяет значительно снизить износ основного конструктивного элемента-статора, увеличить ресурс и упростить ремонт двигателя.

Использование газораспределительного механизма известной клапанно-кулачковой компоновки позволяет гарантированно обеспечить герметичность рабочих камер и приемлемый межремонтный пробег двигателя.

Предложенная многокамерная компоновка рабочих камер в теле ротора позволяет эффективно использовать энергию давления газов для получения полезного крутящего момента и эффективной мощности, снизить потери энергии на трение и создание отрицательного крутящего момента, повысить эффективный КПД и обороты, изготовить компактный, экономичный и дешевый двигатель.

Предлагаемый Двухосевой роторно-камерный двигатель внутреннего сгорания может быть изготовлен в условиях предприятия машиностроительного профиля с использованием комплектующих элементов ДВС.

Изобретение относится к машиностроению. Двухосевой роторно-камерный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический статор с крышками, в котором эксцентрично установлен цилиндрический ротор. На крышках статора смонтированы фальш-крышки изменения степени сжатия с возможностью фиксированного перемещения по направляющим параллельно прямой, соединяющей геометрические оси статора и ротора. В фальш-крышках установлены подшипники вала ротора и неподвижные электроконтакты свечей зажигания и на передней, дополнительно, неподвижная шестерня привода механизмов газораспределения. В роторе выполнено нечетное количество рабочих камер, по меньшей мере три, имеющих форму сектора. Ротор с торцов герметично закрыт дисковыми вал-крышками с установленными в них свечами зажигания. В каждой рабочей камере установлен равный по размерам и форме рабочий орган с возможностью ограниченного поворота вокруг оси, проходящей через вершину сектора рабочей камеры и ориентированной вдоль образующей ротора. Внешней стороной рабочий орган контактирует с промежуточным цилиндром через опорный палец. Консольные концы опорного пальца установлены с возможностью свободного перемещения по окружности в торцевых направляющих канавках промежуточного цилиндра. Промежуточный цилиндр установлен в статор с возможностью свободного вращения вокруг общей геометрической оси. Изобретение направлено на повышение экономичности, надежности и КПД двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухосевой роторно-камерный двигатель внутреннего сгорания (ДоРК ДВС), содержащий цилиндрический статор с крышками, в котором эксцентрично установлен цилиндрический ротор, отличающийся тем, что на крышках статора смонтированы фальш-крышки изменения степени сжатия с возможностью фиксированного перемещения по направляющим параллельно прямой, соединяющей геометрические оси статора и ротора, в фальш-крышках установлены подшипники вала ротора и неподвижные электроконтакты свечей зажигания и на передней, дополнительно, неподвижная шестерня привода механизмов газораспределения, а в роторе выполнено нечетное количество рабочих камер, по меньшей мере три, имеющих форму сектора, и ротор с торцов герметично закрыт дисковыми вал-крышками с установленными в них свечами зажигания, причем в каждой рабочей камере установлен равный по размерам и форме рабочий орган с возможностью ограниченного поворота вокруг оси, проходящей через вершину сектора рабочей камеры и ориентированной вдоль образующей ротора, а внешней стороной рабочий орган контактирует с промежуточным цилиндром через опорный палец, консольные концы которого установлены с возможностью свободного перемещения по окружности в торцевых направляющих канавках промежуточного цилиндра, установленного в статор с возможностью свободного вращения вокруг общей геометрической оси.

2. ДоРК ДВС по п.1, отличающийся тем, что торцевые дисковые вал-крышки и ротор выполнены полыми, а полость в роторе разделена перпендикулярной оси перегородкой на две части, каждая из которых через канал в теле ротора и всасывающий или выпускной клапан соединена с рабочей камерой, а для каждой рабочей камеры на передней торцевой дисковой вал-крышке ротора смонтирован редуктор привода кулачкового вала механизма газораспределения, а кулачковый вал установлен в теле ротора и ориентирован вдоль его оси.