Шеститактный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК F02B53/02 F01C1/356 F01C19/10 

Настоящее изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, а именно, к роторно-лопастному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), который может быть использован на водном, воздушном и сухопутном транспорте, а также в качестве стационарной силовой установки.

Известен шеститактный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (патент №RU 2707343, опубликован 26.11.2019). В данном шеститактном роторно-лопастном ДВС, содержащем статор с впускными и выпускными окнами, отверстиями для свечей зажигания и рабочими камерами забора и сжатия топливовоздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения; закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопасти, с камерами горения, выполненными на его цилиндрической поверхности между пазами; боковые стенки; передний и задний подшипниковые щиты; при этом боковые стенки выполнены составными их двух деталей с промежуточными элементами, причем одна из указанных деталей жестко соединена с ротором и имеет наружную коническую поверхность, меньшим основанием обращенную в сторону ротора, а вторая деталь одной стороной контактирует с торцовой поверхностью статора и торцовыми уплотнениями ротора, а на второй стороне имеет цилиндрический выступ в виде обоймы и имеет возможность осевого перемещения; при этом между указанными подвижной и неподвижной деталями помещены заклинивающие шарики, пружинами вдвигаемые в клиновидную щель между подвижной и неподвижной деталями, так что смещение подвижной детали в сторону раскрытия стыка между ней и статором ограничивается силой реакции от действия силы расширяющихся продуктов горения.

Недостатком данного технического решения является относительно небольшой КПД, несмотря на минимизацию потерь на трение.

Известен также шеститактный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (патент №RU 2619672, опубликован 17.05.2017). В указанном роторно-лопастном ДВС, содержащем статор с впускными и выпускными окнами, с отверстиями для свечей зажигания, с рабочими камерами забора и сжатия топливовоздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения; закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, и камерами горения, выполненными на цилиндрической поверхности ротора; боковые стенки, передний и задний подшипниковые щиты, причем боковые стенки всех рабочих камер образованы вращающимися частями ротора, камеры горения выполнены в виде полусферических углублений между продольными пазами ротора, рабочие камеры статора выполнены в виде цилиндрических расточек с осями, параллельными оси статора и разнесенными равномерно по его внутренней поверхности, каждая лопатка статора состоит из отдельных пластин с возможностью свободного взаимного перемещения, причем каждая пластина лопатки выполнена из двух частей, раздвигаемых в осевом направлении пружиной, а количество лопаток кратно количеству камер забора топливовоздушной смеси. Для предотвращения утечки газов за пределы рабочей зоны на торцах статора по всей периферии рабочей поверхности выполнены канавки, в которых расположены ленточные уплотнители, каждый из которых прижат пружинами к внутренней стенке канавки и к боковой стенке двигателя, прилегающей к данному торцу статора. При достижении установившегося режима движения, например при достижении крейсерской скорости, подача топлива в одну (как минимум) из камер забора топливовоздушной смеси может быть прекращена при сохранении подачи в указанную камеру воздуха. В известном двигателе надежно решен вопрос герметизации между ротором и боковыми стенками, а также вопрос утечек газов за пределы рабочей зоны. Однако система уплотнений не исключает некоторой межкамерной перетечки как топливовоздушной смеси, так и отработавших продуктов горения.

При этом, при использовании резиновых уплотнителей трение происходит по всей рабочей поверхности, кроме канавок, в которых расположены резиновые уплотнители, что уменьшает КПД из-за потерь на трение.

Также, стоит заметить, что материал, из которого сделаны резиновые уплотнители склонен к деградации после теплового воздействия, поэтому его использование не обеспечивает долгосрочное выполнение функций указанных уплотнительных элементов.

В качестве ближайшего аналога выбран ДВС по патенту РФ на изобретение №RU 2654555, опубликованному 21.05.2018. В шеститактном роторно-лопастном ДВС, содержащем статор с впускными и выпускными окнами, с отверстиями для свечей зажигания, с рабочими камерами забора и сжатия топливо-воздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения; закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, с камерами горения, выполненными на цилиндрической поверхности ротора между пазами, боковые стенки и передний и задний подшипниковые щиты, боковые стенки всех рабочих камер двигателя образованы деталями, жестко и герметично скрепленными со статором, при этом в пазах, выполненных на торцах ротора, размещены составные призматические детали, пружинами прижимаемые торцами к соседним лопаткам, а боковой гранью - к боковым стенкам рабочих камер.

Основным недостатком данной конструкции является небольшой КПД из-за неоптимального термодинамического цикла, на который влияет распределение объемов камер сжатия и расширения и горения топливо- воздушной смеси.

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя с увеличенным рабочим КПД.

Поставленная задача решается тем, что в шеститактном роторно- лопастном ДВС, содержащем статор с впускными и выпускными окнами, с отверстиями для свечей зажигания, рабочие камеры забора, сжатия топливно-воздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов сгорания, закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, с камерами горения, выполненными в виде полусферических углублений на цилиндрической поверхности ротора между продольными пазами ротора, рабочие камеры статора выполнены в виде цилиндрических расточек с осями, параллельными оси статора и разнесенными равномерно по его внутренней поверхности, при этом объем каждой камеры сжатия составляет 86-96% от объема камеры расширения, узел уплотнения, боковые стенки и передний и задний подшипниковые щиты, боковые стенки всех рабочих камер двигателя образованы деталями, жестко и герметично скрепленными со статором. Узел уплотнения выполнен в виде контактных пластин, размещенных в пазах, выполненных на торцах ротора, пружинами прижимаемых торцами к соседним лопаткам, а боковой гранью к боковым стенкам рабочих камер. Контактные пластины выполнены из стали 40Х, а часть статора, контактирующая непосредственно с пластинами может быть выполнена из алюминиевого сплава Д16Т.

Применение предложенной конструкции шеститактного роторно-лопастного ДВС позволяет получить технический результат, а именно увеличить КПД двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид двигателя в поперечном разрезе, на фиг. 2 показан осевой разрез двигателя фиг. 1, на фиг 3. Показана часть лопатки (пластины в сборе).

Шеститактный роторно-лопастной ДВС содержит статор 1 (фиг.1, 2) с впускными 2 и выпускными 3 окнами (фиг.1). По внутренней цилиндрической поверхности статора 1 расположены цилиндрические расточки, попарно образующие камеры забора топливно-воздушной смеси 4 и камеры расширения продуктов горения 5 (фиг.1). В резьбовые отверстия статора 1 ввинчены свечи 6 (фиг.1, 2). Со статором 1 сцентрированы и жестко скреплены боковые стенки 7 и 8 (фиг.2). Со статором 1 и боковыми стенками 7 и 8 сцентрированы и жестко скреплены передний подшипниковый щит 9 и задний подшипниковый щит 10 (фиг 2.) В переднем подшипниковом щите 9 и заднем подшипниковом щите 10 на радиально-упорных подшипниках смонтирован вал 11 (фиг.1, 2), на котором закреплен ротор 12 (фиг.1, 2). В продольных пазах ротора 12 размещены пластины 13, 14, 15 (фиг.3). Пластины 13, 14 разжимаются пружинами 16, 17 соответственно. На цилиндрической поверхности ротора 12, между продольными пазами выполнены полусферические углубления 18 (фиг.2). В пазах, выполненных в торцах ротора 12 (фиг.1) помещены контактные пластины 19 и 20 (фиг.1), разжимаемые между собой пружиной 21 (фиг.1). Контактные пластины 19 и 20 проще в производстве, так как в аналоге придется фрезеровать прямые каналы для призматических деталей, используемых для уплотнения, а в предложенном решении контактные пластины 19 и 20 представляют собой сектор, для которого вытачивается круговой канал, таким образом, контактные пластины 19 и 20 - более технологичные. В верхней части переднего подшипникового щита 9 и заднего подшипникового щита 10 располагаются штуцеры 22 и 23 (фиг.2). В нижней части переднего подшипникового щита 9 и заднего подшипникового щита 10 располагаются штуцеры 24 и 25 (фиг.2).

Необходимо отметить, что рабочие поверхности основных деталей двигателя согласно изобретению подлежат обработке механизмами с элементарными видами движения - вращательным и прямолинейно-поступательным, что обеспечивает высокую технологичность изготовления двигателя.

Работу шеститактного роторно-лопастного ДВС согласно изобретению проследим на примере варианта, изображенного на фиг. 1 (с двумя камерами забора, направление вращения по часовой стрелке).

Каждая из пластин 13, 14, 15 прижимается в шахматном порядке к боковым стенкам 7 и 8. Каждая контактная пластина 19 и 20 пружинами 21 прижимаются торцами к пластинам 13, 14 (в совокупности лопаток), а пружинами 16, 17 прижимаются к боковым стенкам 7 и 8. Совокупность перечисленных деталей обеспечивает надежную торцовую герметизацию. При пуске двигателя пружины 16, 17 обеспечивают прижим лопаток к рабочей поверхности статора 1. При вращении ротора 12 в пространство камер забора топливо-воздушной смеси 4, образующееся за выдвигающейся лопаткой, через впускные окна 2 засасывается топливо-воздушная смесь, которая при дальнейшем вращении очередной лопаткой сжимается в сужающемся пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями статора 1, ротора 12 и боковыми стенками 7 и 8.

На конечной стадии сжатия смесь концентрируется в полусферическом углублении 17 на цилиндрической поверхности ротора 12. В этот момент свечами 6 смесь воспламеняется и сгорает в замкнутом пространстве, прежде чем передняя по ходу лопатка начинает выдвигаться в открывающееся пространство камеры расширения продуктов сгорания 5, осуществляя передачу крутящего момента валу 11. При дальнейшем вращении за передними по ходу лопатками открываются выпускные окна 3 и отработавшие газы удаляются из камер расширения продуктов сгорания 5. Участок центральной цилиндрической поверхности статора 1 между камерами расширения продуктов сгорания 5 и выпуска отработавших газов и камерами забора топливо-воздушной смеси 4 вытесняет отработавшие газы и предотвращает попадание отработавших газов в зону забора топливо-воздушной смеси. Через штуцеры 22 и 23 подается смазывающе-охлаждающая субстанция (масло, масляный туман), обеспечивающая охлаждение рабочей зоны и смазку трущихся поверхностей. Через штуцеры 24 и 25 субстанция удаляется на регенерацию и охлаждение. Синхронное движение лопаток в пазах ротора 12 обеспечивает динамическую уравновешенность двигателя. При достижении установившегося режима работы двигателя в одну (или больше) из камер забора топливно-воздушной смеси 4 может быть любым известным способом прекращена подача топлива при сохранении поступления в указанную камеру воздуха. При этом работа двигателя продолжается с пониженной отдаваемой мощностью при сохранении неизменным числа рабочих ходов за один оборот ротора 12.

Таким образом, шеститактный роторно-лопастной ДВС согласно изобретению реализует шеститактный рабочий цикл, состоящий из тактов: впуска топливо-воздушной смеси, сжатия топливо-воздушной смеси, горения топливовоздушной смеси, расширения продуктов горения, выпуска продуктов горения и очистки, причем горение во времени и пространстве отделено от сжатия и расширения. Шестой такт цикла - очистка - исключает взаимные перетечки топливо-воздушной смеси в зону выпуска отработавших газов, а отработавших газов в зону забора топливо-воздушной смеси. Число двойных (тройных, четверных и т.д.) ходов за один оборот вала 11 равно числу лопастей в пазах ротора 12.

Моделирование показало, что целесообразно увеличение объема камеры расширения продуктов горения 5 до значений, превышающих значения объема камеры забора топливно-воздушной смеси 4, при этом при увеличении камеры расширения продуктов горения 5 до значений, при котором объем камеры забора топливно-воздушной смеси 4 будет составлять более 96% от объема камеры расширения продуктов горения 5, термодинамический КПД не претерпевает изменений, при значении объема камеры забора топливно-воздушной смеси 4 86%-96% от объема камеры продуктов горения 5 термодинамический КПД растет, таким образом, выполняется получение технического результата. Дальнейшее увеличение камеры расширения продуктов горения 5 не целесообразно, так как увеличение габаритов статора 1 приводит к ухудшению массогабаритных характеристик двигателя. В тоже время моделирование показало, что потери на трение лопаток в измененной конструкции объемов камер забора топливно-воздушной смеси 4 и камер расширения продуктов горения 5 и время срабатывания лопаток не влияет на общий КПД системы. Кроме того, величина объемов камер расширения продуктов горения 5 не должна превышать значений, которые позволяют осуществить выпуск продуктов сгорания топливной смеси через выпускные окна 3.

Контактные пластины 19 и 20, которые могут быть выполнены из стали 40Х и в контакте с частью статора 1, которая может быть выполнена из алюминиевого сплава Д16Т, "накатывают" себе дорожки, что и обеспечивает герметичность узла, при этом, уплотняется торцевая поверхность диска статора 1 и одновременно боковая поверхность лопатки, кроме того, трение происходит только между контактными пластинами 19 и 20, что положительно влияет на общий КПД двигателя.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно, получен двигатель с увеличенным КПД.

Изобретение относится к двигателестроению. Шеститактный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит статор (1) с впускными (2) и выпускными (3) окнами, отверстиями для свечей (6) зажигания и рабочими камерами забора (4) и сжатия воздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения (5) и удаления продуктов горения. Камеры горения выполнены в виде полусферических углублений (18) на цилиндрической поверхности ротора между его продольными пазами. Раскрыто выполнение рабочих камер. На валу закреплен цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, количество которых кратно количеству камер забора топливовоздушной смеси. Каждая пластина лопатки выполнена из двух частей, раздвигаемых в осевом направлении пружиной. Объем камеры сжатия составляет 86-96% от объема камеры (5) расширения. Узел уплотнения выполнен в виде контактных пластин (19, 20), представляющих собой сектора, пружинами (21) прижимаемые торцами к соседним лопаткам, а боковой гранью к боковым стенкам рабочих камер. Контактные пластины выполнены из стали 40Х, а часть статора (1), контактирующая непосредственно с пластинами, выполнена из алюминиевого сплава Д16Т. Технический результат заключается в повышении КПД двигателя. 3 ил.

Шеститактный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с впускными и выпускными окнами, отверстиями для свечей зажигания и рабочими камерами забора и сжатия воздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения, при этом камеры горения выполнены в виде полусферических углублений на цилиндрической поверхности ротора между его продольными пазами, а рабочие камеры выполнены в виде цилиндрических расточек с осями, параллельными оси статора; жестко закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, количество которых кратно количеству камер забора топливовоздушной смеси, состоящие из отдельных пластин с возможностью свободного взаимного перемещения, причем каждая пластина лопатки выполнена из двух частей, раздвигаемых в осевом направлении пружиной, с камерами горения; узел уплотнения, боковые стенки, образованные деталями, жестко и герметично скрепленными со статором, и передний и задний подшипниковые щиты, отличающийся тем, что объем камеры сжатия составляет 86-96% от объема камеры расширения и узел уплотнения выполнен в виде контактных пластин, представляющих собой сектора, пружинами прижимаемые торцами к соседним лопаткам, а боковой гранью к боковым стенкам рабочих камер, при этом контактные пластины выполнены из стали 40Х, а часть статора, контактирующая непосредственно с пластинами, выполнена из алюминиевого сплава Д16Т.