РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02B53/08 F01C19/08 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, а именно к двигателям турбокомпрессорного типа.

Предложенный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания обладает свойством газовой турбины, так как снабжен компрессором, камерой сгорания и турбиной, а по принципу действия является поршневым двигателем внутреннего сгорания с четырьмя тактами работы: впуском, сжатием, рабочим ходом и выпуском.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю и внешнюю поверхности, оси которых смещены в противоположных направлениях относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, то есть выполняющий функцию вращающейся части компрессора, выполненный в виде диска со сквозным радиальным прямоугольным пазом, образованным от оси вращения вала двигателя до наружной поверхности этого ротора по ширине последнего, в котором установлена подпружиненная рабочая заслонка с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазу ротора компрессора и прилегания ее торца к внутренней цилиндрической поверхности рабочего кольца шириной, равной ширине ротора компрессора, вращающийся ротор турбины, то есть выполняющий функцию вращающейся части турбины, выполненный виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине ротора компрессора, на боковой поверхности стакана над камерой сгорания, корпус которой, выполненный в виде цилиндра и жестко закрепленный в корпусе двигателя, с окном для впуска рабочей смеси и выпускным окном для горящей рабочей смеси размещен в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца, внешней и внутренней боковыми щеками, между которыми внутри рабочего кольца встроен ротор компрессора, газораспределительный стакан, взаимодействующий с камерой сгорания, имеющий жестко прикрепленный к его днищу вращающийся вал, связанный с валом двигателя, встроенный между корпусом камеры сгорания и рабочим кольцом и оборудованный перепускным окном, конфигурация которого аналогична конфигурациям окна корпуса камеры сгорания для впуска рабочей смеси, выпускного окна корпуса камеры сгорания для горящей рабочей смеси, окна в рабочем кольце для впуска рабочей смеси и выпускного окна в рабочем кольце для горящей рабочей смеси, причем перепускное окно установлено с возможностью совмещения с названными окнами, Г-образную подпружиненную рабочую заслонку, установленную в утолщении второго ротора с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в утолщении ротора турбины на одном конце заслонки по направлению вращения роторов впереди второго конца заслонки, и прилегания другим концом к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, Г-образную подпружиненную уплотняющую пластину, установленную в рабочем кольце в области камеры сгорания с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в рабочем кольце по направлению движения роторов позади ее граней, и прилегания гранью к цилиндрической внешней поверхности ротора компрессора, Г-образную подпружиненную уплотняющую пластину, установленную в рабочем кольце в области камеры сгорания с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в рабочем кольце по направлению движения роторов впереди ее граней, и прилегания гранью к внутренней поверхности утолщения ротора турбины. В корпусе камеры сгорания установлена свеча зажигания. Рабочие полости двигателя образованы боковыми щеками, рабочим кольцом и роторами. Сжатие рабочей смеси осуществляется первоначально в роторе компрессора, с последующим ее перемещением в камеру сгорания, где смесь и воспламеняется от свечи зажигания и далее поступает в рабочую камеру ротора турбины. Тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, передается на ротора турбины, где и превращается в механическую (патент RU 2351780 С1, МПК⁷ F02B 53/08).

Основным недостатком этого двигателя является пониженная мощность вследствие наличия «мертвого» пространства по объему в рабочей полости ротора компрессора, из-за чего часть сжимаемой в рабочей полости ротора компрессора не попадает в камеру сгорания.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, ось которой смещена относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, то есть выполняющий функцию вращающейся части компрессора, выполненный в виде диска, и вращающийся ротор турбины, то есть выполняющий функцию вращающейся части турбины, выполненный в виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине первого ротора, расположенную между роторами камеру сгорания, имеющую корпус, выполненный в виде цилиндра и жестко закрепленный в корпусе двигателя, с окном для впуска рабочей смеси и выпускным окном для рабочей смеси, размещенный в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца, внешнюю и внутреннюю боковые щеки, между которыми внутри рабочего кольца встроен ротор компрессора, выступ ротора компрессора, расположенный на внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, шириной, равной ширине ротора компрессора и переменной высоты, увеличивающейся от внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора до максимальной высоты, размер которой позволяет ротору компрессора свободно вращаться внутри рабочего кольца, и уменьшающейся до внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, причем в пазах выступа в зоне максимальной высоты последнего установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазах выступа подпружиненные уплотняющие пластины, расположенные параллельно оси вала двигателя, рабочую заслонку с шириной, равной ширине ротора компрессора, выполненную в виде пластины и установленную в рабочем кольце с возможностью размещения при максимальном ее рабочем ходе в углублении цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца, причем один конец рабочей заслонки в направлении вращения роторов впереди второго конца заслонки посредством пружины установлен плотно прилегающим к внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, а второй конец рабочей заслонки посредством оси закреплен в рабочем кольце с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг этой оси, газораспределительный стакан, взаимодействующий с камерой сгорания, имеющий жестко прикрепленный к его днищу вращающийся вал, связанный с валом двигателя, встроенный между корпусом камеры сгорания и рабочим кольцом и оборудованный перепускным окном, конфигурация которого аналогична конфигурациям окна корпуса камеры сгорания для впуска рабочей смеси, выпускного окна корпуса камеры сгорания для рабочей смеси, окна в рабочем кольце для впуска рабочей смеси и выпускного окна в рабочем кольце для рабочей смеси, причем перепускное окно установлено с возможностью совмещения с названными окнами. В корпусе камеры сгорания установлена свеча зажигания. В утолщении ротора турбины установлена с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси Г-образная подпружиненная рабочая заслонка с шириной, равной ширине ротора турбины. Ось Г-образной подпружиненной рабочей заслонки закреплена в утолщении ротора турбины на одном конце заслонки по направлению вращения роторов впереди второго конца заслонки с прилеганием другим концом к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца. На цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца над камерой сгорания расположен уплотняющий сегмент ротора турбины, выполненный с переменной высотой, плавно увеличивающейся от цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца до максимальной высоты и плавно уменьшающейся до цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, с шириной, равной ширине рабочего кольца, и снабженный уплотняющей заслонкой, расположенной в зоне максимальной высоты уплотняющего сегмента и выполненной в виде пластины с шириной, равной ширине рабочего кольца, первый конец которой в направлении вращения роторов впереди второго ее конца посредством оси закреплен в рабочем кольце с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг этой оси, и второй конец которой посредством пружины установлен плотно прилегающим к внутренней цилиндрической поверхности ротора турбины. Рабочие полости двигателя образованы боковыми щеками, рабочим кольцом и роторами. Сжатие рабочей смеси осуществляется первоначально в роторе компрессора, с последующим ее перемещением в камеру сгорания, где смесь и воспламеняется от свечи зажигания и далее поступает в рабочую камеру ротора турбины. Тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, передается на ротор турбины, где и превращается в механическую (патент RU 2478803 С2, МПК F02B 53/08, F02B 55/02, F01C 1/46, F01C 19/04 (2006.01)).

Однако вышеописанный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет пониженные показатели мощности и экономичности вследствие недостаточной эффективности лабиринтных уплотнений рабочей камеры ротора компрессора, особенно на малой частоте вращения вала двигателя.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения мощности и экономичности роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная задача решается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, ось которой смещена относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, выполненный в виде диска, и вращающийся ротор турбины, выполненный в виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине ротора компрессора, расположенную между роторами камеру сгорания, имеющую корпус, выполненный в виде цилиндра и жестко закрепленный в корпусе двигателя, с окном для впуска рабочей смеси и выпускным окном для рабочей смеси, размещенный в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца, внешнюю и внутреннюю боковые щеки, между которыми внутри рабочего кольца встроен ротор компрессора, выступ ротора компрессора, расположенный на внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, шириной, равной ширине ротора компрессора, и переменной высоты, увеличивающейся по углу поворота вала двигателя от внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора до максимальной высоты, размер которой позволяет ротору компрессора свободно вращаться внутри рабочего кольца, и уменьшающейся по углу поворота вала двигателя до внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, причем в пазах выступа в зоне максимальной высоты последнего установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазах выступа подпружиненные уплотняющие пластины, расположенные параллельно оси вала двигателя, рабочую заслонку с шириной, равной ширине ротора компрессора, выполненную в виде пластины и установленную в рабочем кольце с возможностью размещения при максимальном ее рабочем ходе в углублении цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца, причем один конец рабочей заслонки в направлении вращения роторов впереди второго конца заслонки посредством пружины установлен плотно прилегающим к внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, а второй конец рабочей заслонки посредством оси закреплен в рабочем кольце с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг этой оси, газораспределительный стакан, взаимодействующий с камерой сгорания, имеющий жестко прикрепленный к его днищу вращающийся вал, связанный с валом двигателя, встроенный между корпусом камеры сгорания и рабочим кольцом и оборудованный перепускным окном, конфигурация которого аналогична конфигурациям окна корпуса камеры сгорания для впуска рабочей смеси, выпускного окна корпуса камеры сгорания для рабочей смеси, окна в рабочем кольце для впуска рабочей смеси и выпускного окна в рабочем кольце для рабочей смеси, причем перепускное окно установлено с возможностью совмещения с названными окнами, свечу зажигания, установленную в корпусе камеры сгорания, Г-образную подпружиненную рабочую заслонку, установленную в утолщении ротора турбины с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в утолщении ротора турбины на одном конце заслонки по направлению вращения роторов впереди второго конца заслонки, и прилегания другим концом к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, при этом на цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца над камерой сгорания расположен уплотняющий сегмент ротора турбины, выполненный с переменной высотой, увеличивающейся по углу поворота вала двигателя от цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца до максимальной высоты и уменьшающейся по углу поворота вала двигателя до цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, с шириной, равной ширине рабочего кольца, и снабженный уплотняющей заслонкой, расположенной в зоне максимальной высоты уплотняющего сегмента и выполненной в виде пластины с шириной, равной ширине рабочего кольца, первый конец которой в направлении вращения роторов впереди второго ее конца посредством оси закреплен в рабочем кольце с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг этой оси, и второй конец которой посредством пружины установлен плотно прилегающим к внутренней цилиндрической поверхности ротора турбины, согласно изобретению на внешней поверхности ротора компрессора выполнены пазы со стороны внешней боковой щеки и со стороны внутренней боковой щеки. В этих пазах установлены со стороны внешней боковой щеки введенные в устройство внешнее и внутреннее уплотняющие кольца и установлены со стороны внутренней боковой щеки введенные в устройство внешнее и внутреннее уплотняющие кольца, наружный диаметр каждого из которых равен диаметру ротора компрессора. При этом внешние уплотняющие кольца установлены в пазах ротора компрессора с возможностью перемещения параллельно валу двигателя и имеют с одной стороны плоские поверхности, прижимающиеся к плоским поверхностям боковых щек, и с другой противоположной стороны имеют клиновидные поверхности, скошенные в сторону боковых щек под заданным углом, а внутренние уплотняющие кольца установлены в пазах ротора компрессора с возможностью радиального перемещения и имеют с одной стороны плоские поверхности, прижимающиеся к поверхностям пазов ротора компрессора, и с другой противоположной стороны имеют клиновидные поверхности, скошенные в противоположную сторону от боковых щек под тем же углом, что и клиновидные поверхности внешних уплотняющих колец. Внешние уплотняющие кольца дополнительно снабжены выступами, расположенными внутри отверстий ротора компрессора и обеспечивающими возможность перемещения внешних уплотняющих колец параллельно валу двигателя внутри отверстий ротора компрессора.

Повышение показателей мощности и соответственно экономичности роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания объясняется увеличением степени сжатия рабочей смеси в камере сгорания за счет герметизации рабочей полости ротора компрессора, обусловленной введением внешних и внутренних уплотняющих колец в рабочей камере ротора компрессора между боковыми поверхностями ротора компрессора и боковыми поверхностями щек.

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.2; на фиг.4 - увеличенный вид камеры сгорания; на фиг.5 - ротор компрессора с уплотняющими кольцами в разобранном виде.

Основой предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания являются два ротора, ротор 1 компрессора, выполняющий функцию вращающейся части ротора компрессора, и ротор 2 турбины, выполняющий функцию вращающейся части ротора турбины, расположенных параллельно, закрепленных на одном валу 3 двигателя на фиксированном расстоянии друг от друга и вращающихся вместе с валом 3 в корпусе 4 (см. фиг.1). Ротор 1 компрессора выполнен в виде круглого диска с выступом 5, расположенным на его внешней цилиндрической поверхности, и встроен в рабочее кольцо 6 с возможностью вращения внутри последнего (см. фиг.2).

Рабочее кольцо 6, являющееся частью корпуса 4 двигателя, имеет две рабочие цилиндрические поверхности, а именно внутреннюю, обращенную в сторону ротора 1, и внешнюю, обращенную в сторону ротора 2.

Ось цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца 6 совпадает с осью вала 3 двигателя, а ось цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца 6 смещена относительно оси вращения вала 3 двигателя на величину Н, не позволяющую поверхностям рабочего кольца 6 пересекаться (см. фиг.2). Ширина рабочего кольца 6 равна ширине ротора 1 компрессора.

Выступ 5 ротора 1 компрессора, выполненный заодно с ротором 1 компрессора или жестко закрепленный на внешней цилиндрической поверхности ротора 1 компрессора, имеет ширину, равную ширине ротора 1 компрессора, и переменную высоту, плавно увеличивающуюся по углу поворота вала 3 двигателя от внешней цилиндрической поверхности ротора 1 компрессора до максимальной высоты и плавно уменьшающуюся по углу поворота вала 3 двигателя до внешней цилиндрической поверхности ротора 1 компрессора. Поверхность выступа 5 максимальной высоты выполнена по диаметру, позволяющему ротору 1 компрессора свободно вращаться внутри рабочего кольца 6, не соприкасаясь с его цилиндрической внутренней поверхностью.

В рабочем кольце 6 размещена рабочая заслонка 7, выполненная в виде пластины, один конец которой, расположенный в направлении вращения роторов впереди второго конца заслонки 7, имеющий закругление, через пружину 8 имеет возможность плотного прилегания к внешней цилиндрической поверхности ротора 1 компрессора, а второй конец рабочей заслонки 7, расположенный в направлении вращения роторов позади первого ее конца, закреплен через ось 9 в рабочем кольце 6 с возможностью совершения возвратно-вращательного движения рабочей заслонки 7 вокруг оси 9. На цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца 6 имеется углубление 10, предназначенное для вхождения в него рабочей заслонки 7 при максимальном ее рабочем ходе. Ширина рабочей заслонки 7 равна ширине ротора 1 компрессора, а минимальная длина ее установлена такой, что не позволяет ей отрываться от внешней поверхности ротора 1 компрессора при вращении вала 3 двигателя. Рабочая заслонка 7 расположена таким образом, что ее ось 9 находится справа от ее первого конца по направлению вращения ротора 1 (см. фиг.2, 4).

Вращающийся ротор 2 турбины выполнен в виде стакана, днище которого жестко закреплено на валу 3 двигателя (см. фиг.1). На боковой поверхности стакана выполнено в направлении оси вращения вала 3 двигателя диаметральное утолщение по ширине, равной ширине ротора 1. Это утолщение расположено над цилиндрической внешней поверхностью рабочего кольца 6. В утолщении ротора 2 турбины установлена Г-образная рабочая заслонка 11, имеющая возможность возвратно-вращательного движения вокруг своей оси 12 (см. фиг.2). Ось 12 закреплена в утолщении ротора 2 турбины на одном конце Г-образной рабочей заслонки 11 по направлению вращения роторов 1 компрессора и 2 турбины впереди второго конца этой заслонки. Торец второго конца заслонки 11 установлен с возможностью плотного прилегания к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца 6 посредством пружины 13. Заслонка 11 расположена таким образом, что ее ось 12 находится справа от ее второго конца по направлению вращения ротора 2 компрессора.

В рабочем кольце 6 в месте наибольшей высоты кольца, то есть в его наиболее широкой части, имеется отверстие, предназначенное для установки камеры сгорания 14. Ротор 1 компрессора, утолщение ротора 2 и рабочее кольцо 6 расположены между двумя рабочими боковыми щеками: внешней 15 и внутренней 16, стянутыми болтами 17, и являющимися вместе с рабочим кольцом 6 основой корпуса 4 двигателя (см. фиг.1). В этих щеках 15 и 16 на подшипниках 18 установлен вал 3 двигателя. Таким образом, ротор 1, встроенный внутри рабочего кольца 6 между внешней 15 и внутренней 16 боковыми щеками, имеет возможность вращения в полости, образованной цилиндрической внутренней поверхностью рабочего кольца 6 и внешней 15 и внутренней 16 боковыми щеками; ротор 2 с утолщением, расположенным над камерой сгорания 14, имеет возможность вращения в полости, образованной цилиндрической внешней поверхностью рабочего кольца 6 и внешней 15 и внутренней 16 боковыми щеками.

Камера сгорания 14, расположенная между роторами 1 компрессора и 2 турбины, снабжена корпусом 19, выполненным в виде цилиндра и размещенным в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца 6 (см. фиг.3). На боковой поверхности корпуса 19 расположены окно 20 для впуска рабочей смеси и выпускное окно 21 для рабочей смеси, имеющие прямоугольную форму. Корпус 19 жестко закреплен в корпусе 4 двигателя, то есть во внешней щеке 15, посредством крышки 22. В торце камеры сгорания 14, в центре крышки 22 имеется отверстие 23 для свечи зажигания 24 (см. фиг.1,3).

Между отверстием в рабочем кольце 6, предназначенным для установки камеры сгорания 14, и наружной поверхностью корпуса 19 встроен газораспределительный стакан 25 механизма газораспределения, взаимодействующий с камерой сгорания 14 (см. фиг.3). К днищу стакана 25 со стороны ротора 2 жестко прикреплен вал 26, проходящий в отверстие внутренней боковой щеки 16. Вал 26 вместе со стаканом 25 имеет возможность вращения посредством механического редуктора 27 от вала 3 двигателя (см. фиг.1,3).

Боковая поверхность газораспределительного стакана 25 оборудована перепускным окном 28 механизма газораспределения, имеющим возможность совмещения с окном 20 для впуска рабочей смеси и с окном 29 в рабочем кольце 6 для впуска рабочей смеси, обращенным в сторону ротора 1, а также с выпускным окном 21 для рабочей смеси и с выпускным окном 30 в рабочем кольце 6 для рабочей смеси, обращенным в сторону ротора 2 (см. фиг.3). Окна 20, 21, 28, 29 и 30 выполнены прямоугольной формы, то есть конфигурации этих окон совпадают, что позволяет им совмещаться друг с другом для перепуска рабочей смеси согласно фазам газораспределения.

Для уплотнения рабочей полости компрессора, создаваемой внешней поверхностью ротора 1 компрессора и внутренней поверхностью рабочего кольца 6, на внешней поверхности выступа 5, в зоне его максимальной высоты, выполнены пазы 31 для установки в них уплотняющих пластин 32 (см. фиг.2,4). Уплотняющие пластины 32, установленные в пазах 31, за счет пружины 33 плотно прилегают к внутренней поверхности рабочего кольца 6 и имеют возможность возвратно-поступательного движения в своих пазах (см. фиг.4). При этом уплотняющие пластины 32 расположены параллельно оси вала 3 двигателя.

Для уплотнения рабочей полости компрессора между внешней боковой щекой 15 и внутренней боковой щекой 16 корпуса 4 двигателя и боковыми поверхностями ротора 1 компрессора встроены по два уплотняющих кольца с каждой стороны, наружный диаметр каждого из которых равен диаметру ротора 1 компрессора (см. фиг.5). Внешние уплотняющие кольца 34 и 35 установлены в пазах 39 и снабжены выступами, расположенными внутри отверстий 36 ротора 1 компрессора и обеспечивающими возможность перемещения внешних уплотняющих колец 34 и 35 параллельно валу 3 двигателя внутри отверстий 39 ротора компрессора. Внутренние уплотняющие кольца 37 и 38 установлены в пазах 39 ротора 1 компрессора с возможностью радиального перемещения. При этом пазы 39 выполнены на внешней поверхности ротора 1 компрессора со стороны внешней боковой щеки 15 и со стороны внутренней боковой щеки 16.

В пазах 39 установлены со стороны внешней боковой щеки 15 внешнее уплотняющее кольцо 35 и внутреннее уплотняющее кольцо 38. Со стороны внутренней боковой щеки 16 в пазах 39 установлены внешнее уплотняющее кольцо 34 и внутреннее уплотняющее кольцо 37. Внешние уплотняющие кольца 34 и 35 установлены в пазах 39 ротора 1 компрессора с возможностью перемещения параллельно валу 3 двигателя. Внешнее уплотняющее кольцо 34 имеет с одной стороны плоскую поверхность, прижимающуюся к плоской поверхности внутренней боковой щеки 16, а с другой противоположной стороны имеет клиновидную поверхность, скошенную в сторону внутренней боковой щеки 16 под заданным углом. Внешнее уплотняющее кольцо 35 имеет с одной стороны плоскую поверхность, прижимающуюся к плоской поверхности внешней боковой щеки 15, а с другой противоположной стороны имеет клиновидную поверхность, скошенную в сторону внешней боковой щеки 15 под заданным углом.

Внутреннее уплотняющее кольцо 37, обладающее возможностью перемещаться по окружности, имеет с одной стороны плоскую поверхность, прижимающуюся к торцевой поверхности паза 39, а с другой противоположной стороны имеет клиновидную поверхность, скошенную в противоположную сторону от внутренней боковой щеки 16 под тем же углом, что и клиновидная поверхность внешнего уплотняющего кольца 34. Внутреннее уплотняющее кольцо 38, обладающее возможностью перемещаться по окружности, имеет с одной стороны плоскую поверхность, прижимающуюся к торцевой поверхности паза 39, а с другой противоположной стороны имеет клиновидную поверхность, скошенную в противоположную сторону от внутренней боковой щеки 15 под тем же углом, что и клиновидная поверхность внешнего уплотняющего кольца 35. Таким образом, обе пары уплотняющих колец 34, 37 и 35, 38 входят в пазы 39, выполненные по краям на боковых поверхностях ротора 1 компрессора, причем глубина пазов 39 равна суммарной толщине пар этих колец.

Для уплотнения рабочей полости турбины, создаваемой внешней поверхностью рабочего кольца 6 и внутренней поверхностью ротора 2 турбины, на внешней цилиндрической поверхности рабочего кольца 6 над камерой сгорания 14 расположен уплотняющий сегмент 40 (см. фиг.2,4) ротора 2 турбины, выполненный переменной высоты, плавно увеличивающейся от цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца 6 по углу поворота вала 3 двигателя до максимальной высоты и плавно уменьшающейся по углу поворота вала 3 двигателя до цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца 6. Поверхность сегмента 40 с максимальной высотой, обращенная в сторону ротора 2 турбины, выполнена по диаметру, позволяющему ротору 2 турбины свободно вращаться, не соприкасаясь с уплотняющим сегментом 40. Уплотняющий сегмент 40 жестко закреплен на рабочем кольце 6 или изготовлен заодно с ним. Ширина уплотняющего сегмента 40 равна ширине рабочего кольца 6.

В зоне максимальной высоты уплотняющего сегмента 40 установлена уплотняющая заслонка 41 (см. фиг.2, 4), выполненная в виде пластины и имеющая ширину, равную ширине рабочего кольца 6. Уплотняющая заслонка 41 связана с пружиной 42 и снабжена осью 43. При этом уплотняющая заслонка 41 расположена таким образом, что ее ось 43 находится впереди по ходу вращения ротора 2 турбины. Первый конец уплотняющей заслонки 41 в направлении вращения роторов 1 и 2 впереди второго ее конца закреплен через ось 43 в сегменте 40 с возможностью совершения возвратно-вращательного движения заслонки 41 вокруг оси 43. Второй конец уплотняющей заслонки 41 через пружину 42 установлен плотно прилегающим к внутренней цилиндрической поверхности ротора 2 турбины.

На внешней поверхности уплотняющего сегмента 40 имеется углубление 44, предназначенное для вхождения в него уплотняющей заслонки 41 при максимальном ее перемещении.

Выпускное окно 30 в рабочем кольце 6 для рабочей смеси, предназначенное для выпуска из камеры сгорания 14 рабочей смеси, содержит несколько расположенных друг за другом окон, последовательно включающихся в работу по мере открывания перепускного окна 28 механизма газораспределения.

Рабочие полости двигателя образованы боковыми щеками 15 и 16, рабочим кольцом 6 и роторами 1 и 2 (см. фиг.1).

Рабочая камера ротора 1 компрессора, образованная наружной поверхностью ротора 1, внутренней цилиндрической поверхностью рабочего кольца 6 и боковыми щеками 15 и 16, разделена рабочей заслонкой 7 и выступом 5 на камеру впуска 45 и камеру предварительного сжатия 46 (см. фиг.2,4). Рабочая полость компрессора состоит из камеры впуска 45 и камеры предварительного сжатия 46.

Рабочая камера ротора 2 турбины, образованная цилиндрической наружной поверхностью рабочего кольца 6, цилиндрической внутренней поверхностью утолщения ротора 2 и боковыми щеками 15 и 16, разделена Г-образной заслонкой 11 и уплотняющим сегментом 40 на камеру рабочего хода 47 и камеру выпуска 48. Внутри рабочего кольца 6 образованы полости 49 для рубашки системы охлаждения (см. фиг.2). Рабочая полость турбины состоит из камеры рабочего хода 47 и камеры выпуска 48.

Во внешней боковой щеке 15 выполнены канал 50, предназначенный для соединения камеры впуска 45 с впускным трактом системы впуска рабочей смеси, и канал 51, предназначенный для соединения рабочей полости камеры выпуска 48 с атмосферой (см. фиг.2,4).

Положение выступа 5, когда он находится на наименьшем расстоянии от камеры сгорания 14, принимается за начало работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. фиг.2).

Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено:

- стрелкой на фиг.2,4 - направление вращения роторов 1, 2;

- пунктирными линиями на фиг.2,4 - канал, предназначенный для соединения камеры впуска с впускным трактом системы впуска рабочей смеси, и канал, предназначенный для соединения рабочей полости камеры выпуска с атмосферой;

- стрелками на фиг.4 - направления движения рабочей смеси и отработавших газов.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

За начало отсчета принимаем положение ротора 1 компрессора, когда его выступ 5 будет расположен по центру камеры сгорания 14 (см. фиг.2). Вращение роторов 1, 2 происходит по часовой стрелке со стороны свечи зажигания 24 (см. фиг.1). Двигатель работает на жидком или газообразном топливе и имеет стандартную систему питания.

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 двигателя от 0° до 360°. При вращении ротора 1 компрессора за рабочей заслонкой 7 создается разряжение, и порция рабочей смеси по каналу 50 поступает в камеру впуска 45 (см. фиг.2, 4).

2 такт - сжатие - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 720° и заканчивается тогда, когда заслонка 7 полностью войдет в углубление 10 рабочего кольца 6. В этот момент газораспределительным стаканом 25 перекроется окно 29 в рабочем кольце 6, соединяющее камеру предварительного сжатия 46 с камерой сгорания 14. На угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 520°÷540° (в зависимости от установки фаз газораспределения) рабочая смесь предварительно сжимается в камере предварительного сжатия 46, пока окна 28 и 29 не начнут совмещаться. После начала совмещения окон 28 и 29 предварительно сжатая рабочая смесь начнет поступать в камеру сгорания 14 и будет дальше сжиматься в камере сгорания 14 вплоть до 720° поворота вала 3 двигателя, то есть до момента перекрытия газораспределительным стаканом 25 окна 29. В этот момент рабочая смесь окажется в сжатом состоянии в камере сгорания 14.

3 такт - рабочий ход - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 720°-1080°. При этом при угле поворота вала 3 двигателя, равном 700° ± угол опережения зажигания, происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 14 за счет проскакивания искры в свече зажигания 24. В этот же момент начинают совмещаться перепускное окно 28 газораспределительного стакана 25 с выпускным окном 21 корпуса камеры сгорания 19 и выпускным окном 30 (см. фиг.3,4). Через образовавшуюся и постоянно увеличивающуюся за счет вращения газораспределительного стакана 25 щель горящая рабочая смесь устремляется в камеру рабочего хода 47 (см. фиг.2, 3).

За счет горения рабочей смеси создается высокое давление, которое воздействует на Г-образную рабочую заслонку 11, расположенную в утолщении ротора 2 турбины, заставляя ротор 2 турбины вращаться и создавать крутящий момент на валу 3 двигателя.

4 такт - выпуск - происходит при вращении вала 3 двигателя от 1080° до 1440°. При этом отработавшие газы из камеры выпуска 48 по каналу 51 выпускаются в атмосферу.

Таким образом, при угле поворота вала 3 двигателя, равном 1440°, заканчивается процесс выпуска, а следовательно, заканчивается полный рабочий цикл, происшедший в данном роторно-поршневом двигателе с одним зарядом рабочего тела.

При постоянной работе двигателя происходит следующее. При вращении роторов 1, 2 от 0° до 360° в рабочей полости ротора 1 компрессора (см. фиг.2, 4) происходит одновременно сжатие рабочей смеси в камере предварительного сжатия 46 и впуск рабочей смеси в камеру впуска 45, а в рабочей полости ротора 2 турбины происходит одновременно рабочий ход в камере рабочего хода 47 и выпуск отработавших газов из камеры выпуска 48. Таким образом, полный цикл совершается на угле поворота вала 3 двигателя, равном 360°.

При вращении ротора 1 компрессора внутренние уплотняющие кольца 37 и 38 за счет сил инерции, так как их масса неравномерно распределена по окружности, начинают поворачиваться против направления вращения вала 3 двигателя, заставляя за счет скошенной боковой поверхности колец перемещаться внешние уплотняющие кольца 34 и 35 параллельно валу двигателя 3 и прижимая их к боковым поверхностям щек 15 и 16, создавая тем самым беззазорное соединение.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает повышение степени сжатия рабочей смеси в камере сгорания, а следовательно, и повышение мощности двигателя, за счет обеспечения герметизации рабочей полости компрессора путем изменения конструкции уплотнений между боковыми поверхностями ротора компрессора и боковыми поверхностями щек.

Изобретение относится к двигателестроению. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом и рабочими камерами, образованными рабочими полостями. В рабочих полостях параллельно на валу установлены ротор компрессора и ротор турбины. Ротор компрессора встроен внутри рабочего кольца между боковыми щеками. На внешней поверхности ротора компрессора выполнены пазы. В пазах установлены внешние и внутренние уплотняющие кольца. Наружный диаметр колец равен диаметру ротора компрессора. Внешние уплотняющие кольца установлены с возможностью перемещения параллельно валу двигателя и имеют с одной стороны плоские поверхности, прижимающиеся к плоским поверхностям боковых щек, и с другой противоположной стороны имеют клиновидные поверхности, скошенные в сторону боковых щек. Внутренние уплотняющие кольца установлены с возможностью радиального перемещения и имеют с одной стороны плоские поверхности, прижимающиеся к поверхностям пазов ротора компрессора, и с другой противоположной стороны имеют клиновидные поверхности, скошенные в противоположную сторону от боковых щек под тем же углом, что и клиновидные поверхности внешних уплотняющих колец. Внешние уплотняющие кольца снабжены выступами, расположенными внутри отверстий ротора компрессора. Изобретение направлено на повышение мощности и экономичности двигателя. 5 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, ось которой смещена относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, выполненный в виде диска, и вращающийся ротор турбины, выполненный в виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине ротора компрессора, расположенную между роторами камеру сгорания, имеющую корпус, выполненный в виде цилиндра и жестко закрепленный в корпусе двигателя, с окном для впуска рабочей смеси и выпускным окном для рабочей смеси, размещенный в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца, внешнюю и внутреннюю боковые щеки, между которыми внутри рабочего кольца встроен ротор компрессора, выступ ротора компрессора, расположенный на внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, шириной, равной ширине ротора компрессора, и переменной высоты, увеличивающейся по углу поворота вала двигателя от внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора до максимальной высоты, размер которой позволяет ротору компрессора свободно вращаться внутри рабочего кольца, и уменьшающейся по углу поворота вала двигателя до внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, причем в пазах выступа в зоне максимальной высоты последнего установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазах выступа подпружиненные уплотняющие пластины, расположенные параллельно оси вала двигателя, рабочую заслонку с шириной, равной ширине ротора компрессора, выполненную в виде пластины и установленную в рабочем кольце с возможностью размещения при максимальном ее рабочем ходе в углублении цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца, причем один конец рабочей заслонки в направлении вращения роторов впереди второго конца заслонки посредством пружины установлен плотно прилегающим к внешней цилиндрической поверхности ротора компрессора, а второй конец рабочей заслонки посредством оси закреплен в рабочем кольце с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг этой оси, газораспределительный стакан, взаимодействующий с камерой сгорания, имеющий жестко прикрепленный к его днищу вращающийся вал, связанный с валом двигателя, встроенный между корпусом камеры сгорания и рабочим кольцом и оборудованный перепускным окном, конфигурация которого аналогична конфигурациям окна корпуса камеры сгорания для впуска рабочей смеси, выпускного окна корпуса камеры сгорания для рабочей смеси, окна в рабочем кольце для впуска рабочей смеси и выпускного окна в рабочем кольце для рабочей смеси, причем перепускное окно установлено с возможностью совмещения с названными окнами, свечу зажигания, установленную в корпусе камеры сгорания, Г-образную подпружиненную рабочую заслонку, установленную в утолщении ротора турбины с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в утолщении ротора турбины на одном конце заслонки по направлению вращения роторов впереди второго конца заслонки, и прилегания другим концом к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, при этом на цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца над камерой сгорания расположен уплотняющий сегмент ротора турбины, выполненный с переменной высотой, увеличивающейся по углу поворота вала двигателя от цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца до максимальной высоты и уменьшающейся по углу поворота вала двигателя до цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, с шириной, равной ширине рабочего кольца, и снабженный уплотняющей заслонкой, расположенной в зоне максимальной высоты уплотняющего сегмента и выполненной в виде пластины с шириной, равной ширине рабочего кольца, первый конец которой в направлении вращения роторов впереди второго ее конца посредством оси закреплен в рабочем кольце с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг этой оси, и второй конец которой посредством пружины установлен плотно прилегающим к внутренней цилиндрической поверхности ротора турбины, отличающийся тем, что на внешней поверхности ротора компрессора выполнены пазы со стороны внешней боковой щеки и со стороны внутренней боковой щеки, в этих пазах установлены со стороны внешней боковой щеки введенные в устройство внешнее и внутреннее уплотняющие кольца и установлены со стороны внутренней боковой щеки введенные в устройство внешнее и внутреннее уплотняющие кольца, наружный диаметр каждого из которых равен диаметру ротора компрессора, причем внешние уплотняющие кольца установлены в пазах ротора компрессора с возможностью перемещения параллельно валу двигателя и имеют с одной стороны плоские поверхности, прижимающиеся к плоским поверхностям боковых щек, и с другой противоположной стороны имеют клиновидные поверхности, скошенные в сторону боковых щек под заданным углом, а внутренние уплотняющие кольца установлены в пазах ротора компрессора с возможностью радиального перемещения и имеют с одной стороны плоские поверхности, прижимающиеся к поверхностям пазов ротора компрессора, и с другой противоположной стороны имеют клиновидные поверхности, скошенные в противоположную сторону от боковых щек под тем же углом, что и клиновидные поверхности внешних уплотняющих колец, при этом внешние уплотняющие кольца дополнительно снабжены выступами, расположенными внутри отверстий ротора компрессора и обеспечивающими возможность перемещения внешних уплотняющих колец параллельно валу двигателя внутри отверстий ротора компрессора.