Двухроторный двухтактный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2021 года по МПК F02B53/08 F01C1/77 

Область техники к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания. В частности для автомобильной и авиационной промышленности. Изобретение может быть использовано при создании роторно-лопастных двигателей, насосов, компрессоров.

Уровень техники

Известна роторная машина, [Патент US4844708, МПК F01C 1/077(20060101); F04C 009/00; F04C 021/00, опубл. 04.07.1989 г.] имеющая неподвижный корпус, внутри которого вращаются лопастные роторы с изменяющейся скоростью, так что объемы, на которые разделен корпус роторами, изменяются циклически. Роторы закреплены на соосных валах. Свободные концы валов соединены с эллиптическими шестернями. Механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала содержит пару жестко установленных на вал эллиптических шестерни входящих в зацепление с зубчатыми колесами валов роторов. Недостатками данного решения являются:

- жестко заданное соотношение числа зубьев шестерен выходного вала и шестерен роторов, что затрудняет масштабирование роторной машины.

- значительные потери на трение лопастей о неподвижный корпус.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является роторная машина [Патент RU №2257476, МПК F01C 1/077 опубл. 27.07.2005 г.]. Ее механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов содержит выходной вал, ось вращения которого смещена относительно центральной оси. На валу закреплены две шестерни - эксцентрики, каждая из которых входит в зацепление с шестерней внутреннего зацепления эллиптической формы, жестко связанной с одной из пар лопастных роторов. Механизм периодического изменения скоростей выполнен внутри внутреннего цилиндра кольцевой рабочей камеры. Недостатками данного решения являются:

- недостаточная удельная мощность так как для рабочего хода использован только один из четырех объемов образованных лопастями.

- сложность охлаждения и смазки роторов

- большой размер контуров для изоляции

- жестко заданное соотношение числа зубьев шестерен выходного вала и шестерен роторов, что затрудняет масштабирование двигателей.

- значительные потери на трение лопастей о неподвижный корпус.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения - упростить конструкцию двигателя, снизить затраты на трение, сделать механизм синхронизации масштабируемым, устранить перечисленные недостатки аналогов и использовать энергию выхлопа.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение КПД и удельной мощности роторно-лопастных машин, возможность охлаждения роторов, использование энергии выхлопных газов.

Достигается данный технический результат за счет того, что роторы двигателя не содержат подвижных деталей. Механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов выполнен с использованием двух зубчатых зацеплений и может использовать различные формы и размеры зубчатых венцов и выходного вала. Конструкция двигателя упрощается. Двигатель не содержит неподвижной камеры для вращения роторов. Совместное вращение роторов уменьшает интенсивность трения в двигателе, так как отсутствует трение лопастей о неподвижную камеру. Двигатель использует половину камер образованных лопастями для сжигания горючей смеси. Тем самым увеличивается отношение мощности к объему двигателя (увеличивается удельная мощность). Двигатель имеет радиальные каналы для протока охладителя в цилиндрах и лопатках, что позволят достигать высокой интенсивности охлаждения. Двигатель имеет патрубки направленного выхлопа для использования энергии выхлопных газов и увеличения коэффициента полезного действия. Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показаны основные составные части двигателя и их совместное расположение. Позиции 13, 14, 15 показаны справочно, так как не относятся к сути изобретения и могут быть выполнены различными способами.

На фиг. 2 показан вид со стороны патрубков направленного выхлопа. Показаны детали конструкции которые не просматриваются на фиг. 1. Позиция 16 так же показана справочно.

На фиг. 3 представлен внутренний ротор, его составные части и элементы. Показана установка лопастей 17 в цилиндр внутреннего ротора 8, расположение впускных окон 19 и выпускных окон 18.

На фиг. 4 показано в разрезе расположение внутренних элементов внутреннего ротора, соединение выхлопных окон 18 через отводящие патрубки 21 и внешние выхлопные окна 22 с патрубками направленного выхлопа 25, каналы для протока охладителя 24, отверстия для протока охладителя 20, радиальные каналы в лопастях 32.

На фиг. 5 изображены элементы конструкции внешнего ротора. Показана установка лопастей 26 в цилиндр внешнего ротора 9, расположение перепускных каналов 29, расположение впускных окон 27 и выпускных окон 28. Справочно показано место установки свечей зажигания 13.

На фиг. 6 показано в разрезе расположение канала для подачи охладителя в радиальные каналы лопастей и цилиндра внешнего ротора 30. Показаны радиальные каналы лопастей 32.

На фиг. 7 показано расположение каналов для протока охладителя 32 внутреннего ротора. Показаны радиальные каналы цилиндра 8, а так же каналы подачи охладителя к радиальным каналам и каналам внешнего ротора 24. Для наглядности выбран полупрозрачный вид и убраны все элементы конструкции не относящиеся к пояснению. Стрелками обозначено направление протока охладителя.

На фиг. 8 показано расположение каналов для протока охладителя внешнего ротора. Показаны радиальные каналы цилиндра 9, а так же канал подачи охладителя к радиальным каналам цилиндра и лопастей 30. Для наглядности выбран полупрозрачный вид и убраны все элементы конструкции не относящиеся к пояснению. Стрелками обозначено направление протока охладителя.

На фиг. 9 показано совместное расположение роторов (в разрезе). Лопасти внутреннего ротора примыкают к внутренним стенкам цилиндра внешнего ротора, а лопасти внешнего ротора примыкают к внутренним стенкам цилиндра внутреннего ротора. Вал внешнего ротора опирается на вал внутреннего ротора.

На фиг. 10 показано одно из двух положений выходного вала при котором разность передаточных чисел зубчатых зацеплений максимальна. Такая же разность достигается через 180 градусов поворота выходного вала. Углы между осями лопаток (26 и 17) А и В в этом положении равны. Все не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты. Для наглядности демонстрации зубчатых зацеплений шестерни выходного вала показаны полупрозрачными.

На фиг. 11 показано одно из двух положений выходного вала при котором разность передаточных чисел нулевая. Такая же разность достигается через 180 градусов поворота выходного вала. В этом положении между лопатками (17 и 26) угол минимален с одной стороны (угол А) и максимален с другой стороны (угол В). Все не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты. Для наглядности демонстрации зубчатых зацеплений шестерни выходного вала показаны полупрозрачными. Стрелкой указано рассматриваемое в описании направление вращения вала 2.

На фиг. 12 показано положение роторов при котором объем горячих камер максимален. В данном положении роторы находятся в конце такта рабочего хода. На сечении перекидного канала 29 показано наличие сквозного прохода между холодными и горячими камерами в обход торцов лопастей 17. Так же показано открытое выхлопное окно 28. Не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты.

На фиг. 13 показано положение роторов в момент закрывания (при такте сжатия) или открывания перекидных окон (при такте рабочего хода) образованных перекидными каналами 29 и лопастями 17. Сквозные выхлопные окна образованные окнами 18 и 28 в этот момент открыты. Не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты.

На фиг. 14 показано положение роторов в момент открывания (при такте сжатия) или закрывания (при рабочем ходе) сквозных впускных окон образованных впускными окнами 19 и 27. Не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты.

На фиг. 15 показано положение роторов в конце такта сжатия. Сквозные впускные окна образованные впускными окнами 27 и 19 полностью открыты (позиция 19 не показана, так как не просматривается из за перекрытия окон). Не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты.

На фиг. 16 показано положение роторов в момент закрытия (при такте сжатия) или открытия (при рабочем ходе) сквозных выхлопных окон образованных выхлопными окнами 18 и 28. Не существенные для пояснения элементы конструкции скрыты.

На фиг. 17 показано положение роторов в конце такта сжатия. В приведенном положении производится зажигание. Положение роторов соответствует положению, показанному на фиг. 15. Для наглядности показан минимальный объем горячих камер и максимальный объем холодных камер.

Осуществление изобретения

Двигатель содержит (фиг. 1) опорную раму 1 с установленными соосно внутренним ротором и внешним роторами. На полых валах роторов установлены n-вершинные зубчатые венцы (в данном случае 3-х вершинные). Роторы состоят из полых валов 4 и 5 с жестко установленными зубчатыми венцами 6 и 7, цилиндров 8 и 9 установленных на полых валах и лопастей 17 и 26 установленных в цилиндрах. Зубчатые венцы роторов 6 и 7 входят в зацепление с зубчатыми колесами 3 выходного вала 2. Свечи 13 запитаны через систему электропитания 14. Подача охладителя в роторы и цилиндры в которых закреплены лопасти производится насосом 15. Охладитель собирается кожухом 10. Выхлоп отводится через кожух 11. Позиции 13, 14, 15 показаны справочно. В полых валах 4 и 5 выполнены выхлопные окна 18 и 28, а так же впускные окна 19 и 27 выполняющие роль механизма газораспределения. Так же на боковой поверхности цилиндра внешнего ротора имеются перепускные каналы 29. На боковой поверхности цилиндра 8 установленного на вал внутреннего ротора 4 установлены патрубки направленного выхлопа 25 соединенные с внешними выхлопными окнами 22 и через отводящие патрубки 21 соединенные с выхлопными окнами 18. В лопастях и стенках цилиндров роторов выполнены радиальные каналы 32 для протока жидкости. Для подачи жидкости в радиальные каналы служат каналы 24 и 30, а так же отверстия в полых валах роторов 20 и прорези 31. Соединение цилиндров показано на фиг. 9.

Особенностью двигателя является то, что лопасти двигаются совместно с цилиндрами роторов в которых они закреплены.

При вращении выходного вала 2 роторы вращаются с различными угловыми скоростями, вследствие чего лопасти 17 и 26 закрепленные в цилиндрах роторов 8 и 9 образуют камеры переменного объема. Роторы поочередно и периодически выступают ведомым (отстающим) или ведущим (опережающим).

Камеры двигателя образованные лопастями разделяются на 2 типа:

- холодные - камеры в которых происходит всасывание горючей смеси, но не происходит горение

- горячие - камеры в которые вытесняется горючая смесь из холодных камер и происходит горение смеси.

Горючая смесь подается через полый вал внутреннего ротора 4 и проходя через впускные окна 19 и 27 в полых валах роторов 4 и 5 попадает в холодные камеры. В положении показанном на фиг. 17 угловые скорости роторов одинаковы, расстояние между лопастями в холодных камерах максимально, а в горячих - минимально. В работе двигателя можно выделить 8 стадий:

1. В горячих камерах (предварительно заполненных горючей смесью) происходит сжатие смеси и зажигание от свечей зажигания во всех горячих камерах одновременно. Выхлопные окна 18 и 28 в полых валах роторов при этом закрыты, а впускные 19 и 27 - открыты. В горячих камерах начинается рабочий ход. В холодных камерах заканчивается процесс всасывания порций горючей смеси. Положение роторов в момент зажигания показано на фиг. 17.

2. Рабочий ход завершается открытием выхлопных окон 18 и 28 (фиг. 16). С этого момента продукты сгорания через отводящие патрубки 21 и внешние выхлопные окна 22 попадают на направленные выхлопные патрубки 25. В холодных камерах нарастает давление горючей смеси. Открытие выхлопных окон происходит с некоторым упреждением перед открытием перепускных каналов 29. Выхлопные газы выбрасываются через направленные выхлопные патрубки 25. Это позволяет полностью сбросить давление в горячих камерах до атмосферного перед открытием перепускных каналов 29 и использовать часть энергии выхлопных газов за счет создания реактивных струй направленных в сторону противоположную вращению роторов и создающих усилие направленное по ходу вращения роторов.

3. Перед открытием перепускных каналов 29, выхлопные окна 18 и 28 открыты и давление в горячих камерах сравнивается с атмосферным. Перепускные каналы 29 еще закрыты. Давление смеси в холодных камерах достигает максимального. Положение роторов представлено на фиг. 13.

4. Открываются перепускные каналы 29 и сжатая горючая смесь в обход торцов лопаток 17 закрепленных в цилиндрах внутреннего ротора 8 вытесняется через перепускные каналы 29 в горячие камеры. Выхлопные окна при этом открыты. Давление во всех камерах равно атмосферному. При дальнейшем вращении роторы переходят в положение показанное на фиг. 12.

5. Перепускные каналы 29 закрываются. Выхлопные окна 18 и 28 остаются еще открытыми. Объем холодных камер увеличивается и с этого момента в холодных камерах начинает нарастать разрежение (относительно атмосферного давления), необходимое для всасывания новых порций горючей смеси. Положение роторов в момент закрытия перепускных каналов представлено на фиг. 13.

6. Закрываются выхлопные окна 18 и 28. С этого момента в горячих камерах происходит сжатие горючей смеси. В холодных камерах происходит увеличение разрежения. В этом положении все окна закрыты. Положение роторов непосредственно перед закрытием выхлопных окон представлено на фиг. 16.

7. Непосредственно перед открытием впускных окон (фиг. 14) разрежение в холодных камерах максимально. В холодных камерах происходит открытие впускных окон 19 и 27. Горючая смесь через впускные окна всасывается в холодные камеры за счет созданного в холодных камерах разрежения. В горячих камерах продолжается сжатие горючей смеси.

8. В горячих камерах давление горючей смеси достигает максимального. Холодные камеры заполняются новыми порциями горючей смеси. Давление в холодных камерах равно атмосферному. Свечи 13 производят зажигание в горячих камерах. Положение роторов в момент зажигания представлено на фиг. 17. Двигатель оказывается в состоянии описанном в пункте 1 и цикл повторяется.

Охлаждение двигателя происходит за счет протока жидкости через радиальные каналы 32 в лопастях и стенках цилиндров установленных на роторы. Проток жидкости через радиальные каналы происходит за счет центробежных сил возникающих при вращении роторов. Сток жидкости собирается внешним кожухом 10, прокачивается насосом 15 через радиатор (не показан) и подается в каналы снова.

Вращение обоих роторов в одном направлении позволяет использовать энергию выхлопных газов путем направления реактивной струи выхлопа в сторону противоположную вращению. Для этого патрубки направленного выхлопа 25 повернуты в сторону противоположную вращению роторов.

Описанные примеры конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания и их работа не сужают объем прав заявителя, а являются частными примерами выполнения устройства.

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания, в частности и для автомобильной промышленности. Двухроторный двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит опорную раму с установленными в ней соосно двумя роторами - внешним и внутренним, в цилиндрах которых закреплены лопасти. В стенках цилиндров и в лопастях выполнены радиальные каналы для протока жидкости. На полых валах роторов закреплено два n-вершинных зубчатых венца с зацеплением с зубчатыми колесами выходного вала, связанного с внешним приводным устройством. Двигатель содержит свечи, запитанные через систему электропитания, а подачу охладителя в цилиндры ротора производят насосом через кожух для сбора охладителя. Отвод выхлопа от патрубков направленного выхлопа, расположенных на валу внутреннего ротора и изогнутых в направлении, противоположном вращению роторов, производят через отдельный кожух. В полых валах выполнены выхлопные окна и впускные окна. Лопасти выполняют движение совместно с цилиндрами, в которых они закреплены, а через полый вал внутреннего ротора осуществляется подача горючей смеси. При реализации изобретения обеспечивается повышение КПД и удельной мощности роторно-лопастных машин, возможность охлаждения роторов, использование энергии выхлопных газов. 1 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Двухроторный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий опорную раму с установленными в ней соосно двумя роторами - внешним и внутренним, в цилиндрах которых закреплены лопасти, в стенках цилиндров и в лопастях выполнены радиальные каналы для протока жидкости, при этом на полых валах роторов закреплены два n-вершинных зубчатых венца с зацеплением с зубчатыми колесами выходного вала, связанного с внешним приводным устройством, при этом двигатель содержит свечи, запитанные через систему электропитания, а подачу охладителя в цилиндры ротора производят насосом через кожух для сбора охладителя, отвод выхлопа от патрубков направленного выхлопа, расположенных на валу внутреннего ротора и изогнутых в направлении, противоположном вращению роторов, производят через отдельный кожух, при этом в полых валах выполнены выхлопные окна и впускные окна, при этом лопасти выполняют движение совместно с цилиндрами, в которых они закреплены, а через полый вал внутреннего ротора осуществляется подача горючей смеси.

2. Двухроторный двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что выхлопные окна и впускные окна выступают в качестве механизма газораспределения.