роторная машина

Формула изобретения

1. Роторная машина, содержащая цилиндр с торцевым и герметично фиксируемыми по внутреннему диаметру цилиндра крышками, в ступицах которых эксцентрично оси цилиндра установлены вал с ротором, выполненным в виде цилиндра, на наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены радиальные прорези для лопаток, сопряженных по внутренним поверхностям цилиндра и крышек, отверстия в цилиндре, расположенные в зонах всасывания и выхлопа с соответствующими патрубками на наружной поверхности цилиндра, механизм поджатия крышек к торцам цилиндра, цилиндр выполнен двуслойным их двух оболочек, неразъемно соединенных по цилиндрическим поверхностям, и имеет внутренние каналы охлаждения, кроме того, в цилиндре установлены свечи зажигания и образована камера сгорания, на наружной поверхности наружной оболочки цилиндра установлены штуцеры для подвода и отвода охлаждающей жидкости в каналы охлаждения, выполненные внутри стенки цилиндра, отличающаяся тем, что образующая ротора в плоскости эксцентриситета соприкасается с образующей внутренней поверхности цилиндра, в котором выполнены внутренние газовые рекуперационные каналы, взаимодействующие с шестью герметичными полостями, образуемыми между смежными лопатками ротора и поверхностями ротора, крышек, внутренней оболочки цилиндра, в секторе между двумя лопатками в зоне расширения щели, где соотношение высоты выступания над поверхностью ротора впереди идущей лопатки к таковой у следующей за ней лопатки не менее 15 : 1, расположена камера сгорания, рекуперационные каналы выполнены в стенке цилиндра нормально к его образующим в секторе, охватывающем камеру сгорания и выхлопа, при этом начало каждого рекуперационного канала соединено с сужающейся щелью, а конец - с расширяющейся щелью между ротором и цилиндром, с наружной стороны цилиндра над сектором расположения рекуперационных каналов установлена фиксируемая по цилиндрической поверхности накладка, имеющая коллекторные каналы и каналы охлаждения на внутренней цилиндрической поверхности и штуцера подвода и отвода охлаждающей жидкости на наружной цилиндрической поверхности, а внутри двуслойной стенки цилиндра вдоль его образующих, расположенных по краям к оси шестидесятиградусного сектора, симметрично сектору, в осевой плоскости которого соприкасаются образующие ротора и цилиндра, выполнены каналы с донными отверстиями внутрь цилиндра, служащие для выхлопа отработанных газов, впрыскивания масла и всасывания смеси воздуха с топливом, каналы охлаждения выполнены круговыми и змеевидными, причем круговые каналы расположены у торцов цилиндра, а змеевидные каналы охлаждения выполнены в кольцевом секторе цилиндра, расположенном симметрично оси канала для всасывания, на внутренней поверхности внутренней оболочки цилиндра по линии соприкосновения образующих ротора и цилиндра расположена канавка для масла, глубина которой в зоне пересечения с рекуперационными каналами исключает их повреждение, канавка для масла соединена с клапанами отвода масла, смонтированными на наружной поверхности цилиндра и через внешнюю герметичную систему связанными с клапанами впрыскивания масла, установленными на поверхности цилиндра и соединенными с каналом впрыскивания масла, а нормально к продольной канавке для масла выполнены соединенные с ней с одной стороны круговые канавки, направленные в сторону камеры сгорания, протяженностью до отверстия на внутренней поверхности цилиндра в начале расширения щели, ротор выполнен с шестью радиальными по длине внутренней образующей цилиндра выступами, в которых выполнены прорези для лопаток, установленных попарно на радиальных толкателях в сквозных отверстиях ротора, за счет взаимодействия одна с другой обеспечивающих сопряжение наружного суммарного диаметра каждой пары лопаток с внутренним диаметром цилиндра путем утопания двух толкателей с лопаткой и соответствующего выступания другой пары, вал ротора образован двумя шипами, каждый из которых выполнен заодно с диском, соосно жестко зафиксированным на торце ротора.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждая из шести лопаток ротора взаимодействует продольными ребрами с торцами двух толкателей, имеющих возможность радиального перемещения в трубках, насаженных в сквозных диаметральных отверстиях ротора с поверхностями в зоне торцов заподлицо с цилиндрическими и прорезными поверхностями ротора, в каждой трубке размещено по два толкателя с упором друг в друга в осевой зоне ротора при обеспечении наружного диаметрального размера каждой пары лопаток, равного размеру хорды цилиндра, проведенной через центр ротора и нормально эксцентриситету.

3. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что на валу ротора установлен роторный компрессор наддува в зону всасывания и роторный вакуумный отсос из зоны выхлопа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в отраслях народного хозяйства, использующих для привода механизмов энергию сгорания жидкого или газообразного топлива.

Известны поршневые и роторно-поршневые ДВС [1, 2], широко применяемые в различных отраслях народного хозяйства.

В настоящее время ДВС детально излучены на предмет снижения габаритов, веса, стоимости изготовления и удельного расхода топлива, поэтому дальнейшие работы в этих направлениях не могут существенно повлиять на улучшение их параметров.

К недостаткам поршневых ДВС относятся большие габариты, высокой сухой вес, высокие трудоемкость и стоимость изготовления, относительно большой удельный расход топлива, что связано с необходимостью преобразования прямолинейного возвратно-поступательного перемещения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Эти недостатки не в полной мере устраняются при использовании роторно-поршневых машин, например двигателя Ванкеля. Известна также роторная машина (заявка Франции N 767917, кл. 46, a⁵, 2, 1934).

Известная роторная машина содержит цилиндр с торцевыми, герметично фиксируемыми по внутреннему диаметру цилиндра крышками, в ступицах которых эксцентрично оси цилиндра установлены вал с ротором, выполненным в виде цилиндра, на наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены радиальные прорези для лопаток, сопряженных по внутренним поверхностям цилиндра и крышек, отверстия в цилиндре, расположенные в зонах всасывания и выхлопа с соответствующими патрубками на наружной поверхности цилиндра, механизм поджатия крышек к торцам цилиндра, цилиндр выполнен двухслойным из двух оболочек, неразъемно соединенных по цилиндрическим поверхностям, и имеет внутренние каналы охлаждения, кроме того, в цилиндре установлены свечи зажигания и образована камера сгорания, на наружной поверхности наружной оболочки цилиндра установлены штуцеры для подвода и отвода охлаждающей жидкости в каналы охлаждения, выполненные внутри стенки цилиндра.

Недостатком известной роторной машины является ее низкая эффективность в связи с малыми коэффициентами всасывания, сжатия, отсоса и высоким противонаправленным моментом.

Целью предлагаемого изобретения является создание конструкции высокоэффективной роторной машины, работающей в качестве четырехтактного ДВС, и на этой основе обеспечение кардинального снижения габаритов, веса, стоимости изготовления ДВС и повышение экологичности и экономичности при эксплуатации.

Поставленная цель в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что в известной роторной машине, содержащей цилиндр с торцевыми герметично фиксируемыми по внутреннему диаметру цилиндра крышками, в ступицах которых эксцентрично оси цилиндра установлены вал с ротором, выполненным в виде цилиндра, на наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены радиальные прорези для лопаток, сопряженных по внутренним поверхностям цилиндра и крышек, отверстия в цилиндре, расположенные в зонах всасывания и выхлопа с соответствующими патрубками на наружной поверхности цилиндра, механизм поджатия крышек к торцам цилиндра, цилиндр выполнен двухслойным из двух оболочек, неразъемно соединенных по цилиндрическим поверхностям, и имеет внутренние каналы охлаждения, кроме того, в цилиндре установлены свечи зажигания и образована камера сгорания, на наружной поверхности наружной оболочки цилиндра установлены штуцеры для подвода и отвода охлаждающей жидкости в каналы охлаждения, выполненные внутри стенки цилиндра. Образующая ротора в плоскости эксцентриситета соприкасается с образующей внутренней поверхности цилиндра, в котором выполнены внутренние газовые рекуперационные каналы, взаимодействующие с шестью герметичными полостями, образуемыми между смежными лопатками ротора и поверхностями ротора, крышек, внутренней оболочки цилиндра, в секторе между двумя лопатками в зоне расширения щели, где отношение высоты выступания над поверхностью ротора впереди идущей лопатки к следующей за ней лопатки не менее пятнадцати к одному, расположена камера сгорания, рекуперационные каналы выполнены в стенке цилиндра нормально его образующим в секторе, охватывающем камеру сгорания и выхлопа, при этом начало каждого рекуперационного канала соединено с сужающейся щелью, а конец - с расширяющейся щелью между ротором и цилиндром, с наружной стороны цилиндра под сектором расположения рекуперационных каналов установлена фиксируемая по цилиндрической поверхности накладка, имеющая коллекторные каналы и каналы охлаждения на внутренней цилиндрической поверхности и штуцера подвода и отвода охлаждающей жидкости на наружной цилиндрической поверхности, а внутри двухслойной стенки цилиндра вдоль его образующих, расположенных по краям и оси шестидесятиградусного сектора, симметрично сектору, в осевой плоскости которого соприкасаются образующие ротора и цилиндра, выполнены каналы с донными отверстиями внутри цилиндра, служащие для выхлопа отработанных газов, впрыскивания масла и всасывания смеси воздуха с топливом, каналы охлаждения выполнены круговыми и змеевидными, причем круговые каналы расположены у торцов цилиндра, а змеевидные каналы охлаждения выполнены в кольцевом секторе цилиндра, расположенном симметрично оси канала для всасывания, на внутренней поверхности внутренней оболочки цилиндра по линии соприкосновения образующих ротора и цилиндра расположена канавка для масла, глубина которой в зоне пересечения с рекуперационными каналами исключает их повреждение, канавка для масла соединена с клапанами отвода масла, смонтированными на наружной поверхности цилиндра и через внешнюю герметичную систему, связанными с клапанами впрыскивания масла, установленными на поверхности цилиндра и соединенными с каналом впрыскивания масла, а нормально продольной канавке для масла выполнены соединенные с ней с одной стороны круговые канавки, направленные в сторону камеры сгорания, протяженностью до отверстий на внутренней поверхности цилиндра в начале расширения щели, ротор выполнен с шестью радиальными по длине внутренней образующей цилиндра выступами, в которых выполнены прорези для лопаток, установленных попарно на радиальных толкателях в сквозных отверстиях ротора, за счет взаимодействия друг с другом, обеспечивающих сопряжения наружного суммарного диаметра каждой пары лопаток с внутренним диаметром цилиндра путем утопания двух толкателей с лопаткой и соответствующего выступания другой пары, вал ротора образован двумя шипами, каждый из которых выполнен заодно с диском, соосно жестко зафиксированным на торце ротора, каждая из шести лопаток ротора взаимодействует продольными ребрами с торцами двух толкателей, имеющих возможность радиального перемещения в трубках, насаженных в сквозных диаметральных отверстиях ротора с поверхностями в зоне торцов заподлицо с цилиндрическими и прорезными поверхностями ротора, в каждой трубке размещено по два толкателя с упором друг в друга в осевой зоне ротора при обеспечении диаметрального размера каждой пары лопаток, равного размеру хорды цилиндра, проведенной через центр ротора нормально эксцентрисистету, на валу ротора установлен роторный компрессор наддува в зону всасывания и роторный вакуумный отсос из зоны выхлопа.

Реализация комплекса мер, изложенных в отличительных признаках предлагаемого изобретения, обеспечивает создание роторной машины, работающей как ДВС в режиме широко применяющегося четырехтактного цикла благодаря тому, что функции газораспределения возложены на основные рабочие органы: ротор с лопатками и цилиндр с неподвижными газовыми каналами.

При применении роторной машины обеспечивается по сравнению с поршневым ДСВ:

возможность предельного уменьшения наружных габаритов, а следовательно и веса ДВС, в связи с тем, что исключается необходимость использования внутренней полости двигателя для размещения раздельно расположенных камер сгорания в комплексе с кривошипно-шатунным механизмом в случае поршневых ДВС или редуктора в случае двигателя Ванкеля;

возможность создания конструкции ДВС с минимальным количеством деталей простой геометрической формы, что существенно упрощает технологию и снижает стоимость изготовления;

возможность обеспечения повышения равномерности вращения вала предлагаемой машины, где при работе одной камеры сгорания обеспечивается шесть рабочих толчков за один оборот вала, в то время как для получения шести толчков за один оборот вала, т.е. для получения эквивалентной равномерности вращения вала в поршневом ДВС, требуется двенадцать цилиндров;

возможность снижения удельного расхода топлива за счет: а) ликвидации непроизводительных затрат энергии в поршневых ДВС, связанных с преобразованием поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, выполняемое с помощью кривошипно-шатунного механизма, для нормального функционирования которого необходимо при каждом повороте коленчатого вала двукратно выполнять работу по созданию и гашению кинематической энергии для поршня и шатуна каждого из цилиндров двигателя, б) за счет снижения на 80 - 85% расхода энергии на сжатие смеси воздуха с топливом, в) за счет снижения расхода энергии, идущей на нагрев смеси воздуха с топливом при ее сгорании, это становится возможным в связи с тем, что в предлагаемой конструкции обеспечивается возможность предварительного подогрева смеси воздуха с топливом в рекуперационной полости, выполненной с обратной стороны стенки камеры сгорания;

возможность многократного увеличения крутящего момента на валу роторной машины за счет сохранения постоянного плеча при действии силового импульса на рабочей элемент при каждом толчке и кардинального уменьшения скорости падения величины импульса.

Указанное позволяет создавать машины с большим крутящим моментом без применения редуктора. Обеспечивается снижение шума при работе машины в связи с многократным уменьшением порции воспламеняемой смеси. Повышается эксплуатационная надежность машины за счет исключения применения пружины для поджатия лопаток ротора к внутренней поверхности. Предложенная конструкция обеспечивает возможность многократного снижения мощности стартера для раскрутки вала машины при пуске ее в работу, снижение мощности и габаритов устройства для охлаждения работающей машины, повышение полноты сгорания топлива с уменьшением содержания CO в выхлопных газах, совмещение маховика с ротором и т. п.

На фиг. 1 изображена роторная машина, вид сбоку; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 4; на фиг. 6 - схема расположения отверстий, канавок и каналов в цилиндре.

Роторная машина состоит из цилиндра 1, ротора 2 с валом 3 и лопаток 4, крышек 5, герметично фиксируемых по внутреннему диаметру цилиндра 1. Стяжной механизм 6 с опорными лапами 7, выполненными заодно целое с крышками 5, в ступицах которых эксцентрично оси цилиндра 1 установлен вал 3. Цилиндр 1 выполнен двухслойным из внутренней 8 и наружной 9 цилиндрических оболочек, соединенных методом пайки.

Применение двухслойного цилиндра из двух оболочек, соединенных по цилиндрической поверхности, обеспечивает возможность получения внутренних каналов, канавок и глухих отверстий в оболочках за счет мехобработки оболочек до сборки, пайки.

Благодаря этому в цилиндре 1 выполнены газовые рекуперационные каналы 10, каналы 11 для охлаждающей жидкости, каналы 12 с донными отверстиями 13 для впрыска масла на лопатки 4 и ротор 2, каналы 14 и 16 с донными отверстиями 16 и 17 для выхлопа отработанных газов и всасывания смеси воздуха с топливом через отверстие 18 в рекуперационные каналы 10 и через отверстия 19 в камеру сгорания.

На наружной оболочке 9 выполнены отверстия под штуцеры 20 и 21 для подвода и отвода охлаждающей жидкости и отверстия 22 под свечи зажигания, прорезаны щели 23 и 24, охватываемые патрубками 25 и 26 для выхлопа отработанных газов и всасывания смеси воздуха с топливом, и смонтированы штуцеры с клапанами 27 впрыска и 28 отвода масла. С наружной стороны оболочки 9 в зоне расположения газовых рекуперационных каналов 10, служащих для подогрева смеси воздуха с топливом, герметично зафиксирована на цилиндрической поверхности накладка 29.

Канал 12 выполняет роль коллектора для подачи масла внутрь цилиндра 1 через ряд отверстий 13, расположенных вдоль образующей внутренней оболочки 8. Канал 14 выполняет роль коллектора для выхлопа отработанных газов через отверстия 16, а канал 15 выполняет роль коллектора для подачи внутрь цилиндра 1 смеси воздуха с топливом. Каналы 11 с помощью отверстий соединены штуцерами 20 и 21 с наружной системой охлаждения и обеспечивают протекание охлаждающей жидкости по периметрам торцов цилиндра 1 и в шестидесятиградусном секторе его, расположенном напротив сектора соприкосновения цилиндра 1 с ротором 2. Сквозные в цилиндре 1 только отверстия 22 для свечей зажигания. В отверстия 22 при пайке цилиндра впаиваются резьбовые втулки. Прорези 23 и 24 для выхлопа и всасывания в оболочке 9 в спаянном цилиндре 1 совмещаются с каналами 14 и 15. Отверстия под клапан 27 для впрыска масла на оболочке 9 совмещены с каналом 12 в оболочке 8.

Отверстия с клапанами 28 отвода масла соединяются с внутренней полостью цилиндра 1 за счет переменной по глубине канавки 30, выполняемой на внутренней образующей спаянного цилиндра 1. Канавка 30 расположена между отверстиями 18 и 19 по оси клапана 28. В зоне каждого из клапанов 28 глубина канавки 30 достаточна для соединения его с отверстием, соединяющим его с клапаном 28, а в зоне каналов 10 глубина канавки 30 исключает их повреждение и нарушение прочности. В дальнейшем при сборке цилиндра 1 крышек 5 и ротора 2 обеспечивается расположение боковой поверхности канавки 30, пересекаемой вращающейся лопаткой 4 во вторую очередь в плоскости эксцентриситета. Ширина канавки 30 выполняется меньше, чем толщина лопатки 4.

Нормально канавке 30 в круговом направлении выполняются соединенные с ней круговые канавки 31, служащие для орошения маслом камеры сгорания. Суммарное сечение канавок 31 на порядок меньше, чем у отверстия, соединяющего клапан 28. Оптимальное соотношение определяется при экспериментальной отработке роторной машины.

Ротор 2 представляет собой цилиндр с шестью радиальными по длине внутренних образующих цилиндра прямолинейными выступами 32, в которых с наружной стороны ротора выполнены прорези 33 для шести лопаток 4.

Каждая из шести лопаток 4 ротора 2 ребрами 34 взаимодействует с двумя торцами 35 радиальных толкателей 36, перемещающихся в трубках 37, посаженных в сквозных диаметральных отверстиях ротора 2 и обработанных в зоне торцов заподлицо с цилиндрической и прорезными поверхностями ротора 2.

В каждой трубке 37 размещено по два толкателя 36 с упором друг в друга в осевой зоне ротора 2 при обеспечении наружного диаметрального размера каждой пары лопаток 4, равного размеру хорды цилиндра 1, проведенной через центр ротора 2 нормально эксцентриситету.

Вал 3 ротора 2 образован двумя шипами, каждый из которых выполнен заодно целое с диском 38, жестко зафиксированным по внутреннему диаметру выступов 32.

Цилиндр 1 и ротор 2, собранный с лопатками 4 и валом 3, собираются, центрируются и зажимаются между крышками 5. При этом заданное расположение крышек 5 относительно цилиндра 1 обеспечивается штырем 39 и базовыми отверстиями на крышках 5. Оси штыря 39 и базового отверстия в крышке 5 располагаются в плоскости эксцентриситета, т.е. в плоскости, проходящей через оси вала 3 ротора 2 и линию соприкосновения цилиндра 1 с ротором 2. Крышки 5 стягиваются с цилиндром 1 стяжным механизмом 6, состоящим из болтов 40 с гайкой 41.

Благодаря конструктивному оформлению цилиндра 1 в комплексе с ротором 2 с шестью скользящими лопатками в собранной роторной машине между поверхностями цилиндра 1, ротора 2, лопатками 4 и крышками 5 образуются полость 42 для охлаждения отработанного газа и всасывания смеси воздуха с топливом, начинающуюся от выхлопного отверстия 16; полость 43 для сжатия смеси воздуха с топливом, начинающуюся от отверстия 17; полость 43 включает в себя две полости: полость 43, а предварительного сжатия и полость 43,б окончательного сжатия; полость 44 для подачи и подогрева сжатой смеси воздуха с топливом, представляющую собой внутристенные, в том числе рекуперационные, каналы 10 цилиндра 1, соединенные с полостью 43,б отверстиями 18, а с полостью воспламенения - отверстиями 19; полость 45 для воспламенения воздуха с топливом (камера сгорания) и подачи импульса силы на плечо ротора 2, располагающуюся за отверстиями 19; полость 46 рабочего хода с выхлопом отработанного газа, располагающуюся непосредственно за камерой сгорания; полость канавки 30, служащей для исключения гидроудара за счет создания дренажа из замкнутого, сжимаемого лопатками пространства между поверхностями элементов 1, 2, 4, 5 в зоне, смежной линии соприкосновения поверхности цилиндра 1 с ротором 2. Применение этой полости помимо того, что позволяет исключить гидроудар, позволяет обеспечить циркуляцию масла в системе смазки и смазку трущихся элементов роторной машины.

Для уменьшения сопротивления затеканию сжатой смеси воздуха с топливом из полости 43,б в полость 44 на отверстии 18 выполняются канавки 47.

Таким образом из шести указанных полостей четыре возникают в определенных секторах цилиндра 1 при взаимодействии их с полостями между смежными лопатками вращающегося ротора 2,а две полости (30 и 44) неподвижно расположены в стенке цилиндра 1 и обеспечивают взаимодействие подвижных полостей.

Накладка 29 служит для регулируемого охлаждения цилиндра 1 в зоне расположения рекуперационных каналов 10 для обеспечения заданной температуры подогрева смеси воздуха с топливом, поступающей в камеру сгорания 45. Накладка 29 фиксируется методом пайки по цилиндрической поверхности. Перед пайкой на внутренней поверхности накладки 29 выполняются канавки 48 и каналы охлаждения 49. На наружной поверхности накладки 29 монтируются штуцер 50 для подвода и штуцер 51 для отвода охлаждающей жидкости.

Для охлаждения ротора 2 с лопатками 4 целесообразно охлаждающую жидкость подводит внутрь ротора 2 через штуцеры на крышках 5.

При каждом повороте ротора на 60^o каждая из полостей между лопатками 4, т. е. полости 42, 43,а, 43,б, 45, 46 меняют свое назначение на назначение следующей за ней полости и в каждой из полостей начинается, проходит и заканчивается соответствующий этой полости процесс.

Для ясности изложения следует отметить, что каждая из полостей, местоположение которой показано на чертеже (фиг. 4), образуется двумя смежными лопатками и представляет собой сектор, ограниченный впереди идущей и следующей за ней лопатками. Процесс в каждой из полостей начинается при пересечении впереди идущей лопаткой соответствующего отверстия в цилиндре 1, т.е. отверстий 16 - 19. Каждый из процессов завершается после поворота впереди идущей лопатки (практически ротора) на 60^o. Можно считать, что каждый из процессов начинается, проходит и заканчивается одновременно.

При повороте каждой полости на 60^o каждый из вращающихся секторов из двух лопаток контачит с сектором в 120^o на внутренней поверхности цилиндра 1.

Как это происходит более подробно поясняется ниже.

Так процесс в полости 42 начинается после пересечения впереди идущей лопаткой 4 отверстий 17 на внутренней поверхности цилиндра 1. Одновременно следующая за ней лопатка 4 пересекает отверстия 16 и закрывает доступ в полость 42 отработанного газа из полости 46. В дальнейшем в полости 42 идут процессы охлаждения отработанного газа и заполнения ее смесью воздуха с топливом. Охлаждение отработанного газа происходит за счет его контакта с охлаждаемой зоной цилиндра 1, происходящего при повороте полости 42, и за счет перемешивания отработанного газа с относительно холодной смесью воздуха с топливом. Следует отметить, что отработанный газ при повороте полости 42 на 60^o соприкасается с охлаждаемой поверхностью цилиндра 1 в секторе 120^o. Охлаждение отработанного газа обеспечивает дополнительное разрежение в полости 42 и ее эффективное заполнение смесью воздуха с топливом. Значительное увеличение процесса заполнения секторной щели при всасывании смеси воздуха с топливом может быть достигнуто за счет использования наддува воздуха. Это весьма эффективно повысит мощность роторной машины, особенно при увеличении числа оборотов. Возможен вариант применения при наддуве роторного компрессора эксцентрикового типа со скользящими лопатками. Ориентировочный расчет показывает, что применение роторного компрессора с приводом от вала ротора может обеспечить наддув 0,2-0,25 атм при затратах не более 5-8% от мощности роторной машины.

Поэтому в предлагаемой роторной машине предусмотрено применение наддува с использованием роторного компрессора на валу роторной машины. При этом становится возможным сжатый воздух от наддува использовать для подачи бензина, а вместо приготовления смеси воздуха с топливом в карбюраторе применять распыление струи топлива с помощью сжатого воздуха.

Смесь воздуха с топливом от распылителя поступает в полость 42 через коллектор 26, прорезь 24, канал 15 и донные отверстия 17, где происходит интенсивное перемешивание топлива с воздухом. Процесс в полости 42 завершается после поворота сектора, ограниченного двумя лопатками, на 60^o. При этом полость 42 становится полостью 43,а, а полость 46 занимает место полости 42. После пересечения очередной лопаткой 4 отверстия 17 процесс в полости 42 повторяется.

В полости 43,а происходит предварительное сжатие смеси воздуха с топливом. Процесс сжатия начинается с момента пересечения лопаткой 4 отверстия 17 и продолжается до пересечения этой лопаткой отверстия 18. Процесс сжатия происходит в два этапа в течение поворота ротора 2 на 120^o. Сжатая смесь воздуха с топливом через отверстия 18 по каналам 10, образующим рекуператор для подогрева смеси воздуха с топливом и его полного испарения, всасывается в полость 45. Попадание смеси в систему смазки исключается за счет применения клапанов отвода масла 28, срабатывающих при давлении, большем давления смеси.

Таким образом каждая из шести лопаток 4 ротора 2 за один оборот ротора подает порцию смеси воздуха с топливом в полость 45 через каналы 10 с отверстиями 18 и 19.

Полость 45, служащая для воспламенения горючей смеси и подачи импульса силы на плечо ротора 2 (камера сгорания), образуется между двумя лопатками 4 в момент, когда впереди идущая лопатка 4 отсекает отверстия 22 для свечей зажигания от полости выхлопа 46, а следующая за ней лопатка 4 отсекает от полости 45 отверстия 19. В процессе образования полости 45 впереди идущая лопатка 4 создает подсос подогретой смеси воздуха с топливом через отверстия 19. Процесс воспламенения в полости 45 начинается в момент пересечения задней лопаткой отверстия 19.

После воспламенения давление газа создает импульс силы на плече ротора 2 и полость 45 перемещается в направлении вращения ротора 2. Импульс силы постоянно снижается, так как за счет расширения щели увеличивается объем полости 45 хотя и увеличивается разность площадей впереди идущей и следующей за ней лопаткой 4. Процесс в полости 45 завершается в момент пересечения впереди идущей лопаткой отверстия для выхлопа 16, а полость за этой лопаткой становится полостью 46 для выхлопа, а следующая за ней лопатка становится впереди идущей лопаткой полости 45.

После образования полости выхлопа 46 при вращении ротора 2 она перемещается в сторону полости всасывания 42. Каждый из шести выхлопов, происходящих за один оборот ротора 2, заканчивается, когда впереди идущая лопатка полости 46 пересекает отверстие 17, а лопатка, идущая позади, пересекает выхлопное отверстие 16.

Процесс выхлопа происходит в два этапа. На первом этапе происходит адиабатическое расширение отработанного газа. Адиабатное расширение обеспечивается за счет подсоединения к коллектору 25 емкости соответствующего объема для быстрого расширения газа. При этом температура отработанного газа многократно снижается. Второй этап выхлопа обеспечивается за счет создания низкого вакуума в емкости, прилегающей к коллектору 25, путем соединения ее с вакуумным роторным насосом на валу 3 ротора 2.

Затраты мощности на создание вакуума в полости 46 перекрываются ростом мощности роторной машины. В связи со снижением температуры отработанного газа в процессе адиабатного расширения охлаждения вакуумного роторного насоса не требуется.

Из описанного ясно, что конструкция роторной машины при каждом полном обороте ротора 2 обеспечивает шестикратное протекание нижеперечисленных процессов: охлаждение отработанного газа и всасывание смеси воздуха с топливом, сжатия смеси воздуха с топливом, подогрев сжатой смеси, всасывание сжатой подогретой смеси воздуха с топливом в камеру сгорания, воспламенение смеси воздуха с топливом с подачей импульса силы на плечо ротора и выхлоп отработанного газа. Для нормального функционирования каждого из этих процессов, а также процесса смазки трущихся элементов должно быть обеспечено требуемое угловое расположение лопаток с функциональными отверстиями и канавками на внутренней поверхности цилиндра.

В собранной роторной машине регулируется с использованием системы зажигания совпадение момента воспламенения смеси с моментом полного перекрытия лопаткой 4 отверстий 19 для всасывания подогретой смеси в камеру сгорания 45. Для визуального контроля в собранной роторной машине взаиморасположения оси лопаток 4 с осью отверстий 19 при изготовлении крышек 5 оси указанных отверстий 19 с цилиндра 1 переносятся на торцы ступиц крышек 5 в виде риски, а оси всех лопаток 4 также в виде рисок наносятся на вал 3 ротора 2 в зонах, совмещенных с торцами ступиц на крышках 5.

В связи с тем, что расстояние между лопатками 4 равны и изменяться не могут, требуемое взаиморасположение остальных пяти полостей между лопатками ротора с отверстиями и канавкой цилиндра 1 в этот момент и в последующие обеспечивается за счет соответствующего расположения отверстий. Точность расположения определяется при проектировании цилиндра. При изготовлении цилиндра для получения заданного углового расположения отверстий и канавки используется одна база - внутренняя образующая цилиндра 1, на которой расположены оси отверстий 19 для всасывания смеси в камеру сгорания 45. Базовая образующая расположена в зоне начального выступания лопатки 4 над поверхностью ротора 2 после ее полного утапливания, причем величина выступания лопатки 4 должна быть не менее пятнадцати к одному от высоты впереди идущей лопатки для того, чтобы свести к минимуму величину противотолчка при воспламенении смеси. Расчет показывает, что эта ось для большинства роторных двигателей средней мощности будет находится в пределах 20-30^o от линии соприкосновения образующей цилиндра и ротора, лежащей в плоскости, проходящей через их продольные оси. Конкретное угловое расположение базовой образующей определяется при проектировании роторной машины.

Для упрощения технологии и повышения точности обработки оболочек и цилиндра весьма эффектного в качестве базовой оси практически применять ось, проходящую по образующей через два отверстия 22 для свечей зажигания, с соответствующим пересчетом углов расположения остальных функциональных элементов.

Роторная машина работает следующим образом.

Перед пуском машины в работу производится проверка совмещения момента воспламенения смеси с моментом полного перекрытия лопаткой 4 отверстий 19. Для этой проверки может использоваться холостой проворот ротора 2 и момент подачи импульса на свечи зажигания в отверстиях 22 с учетом опережения момента импульса на инкубационный период воспламенения смеси от момента подачи импульса.

Проверяется, чтобы цилиндр 1 и накладка 29 были подключены к внешней сети жидкостного охлаждения, соединяющей насос с приводом от ротора, радиатор и бочок-ресивер, имеющий дренаж в атмосферу, чтобы масляные клапаны 27 и 28 цилиндра 1 были подключены к внешней маслосети, состоящей из последовательно соединенных трубопроводов, фильтра и герметичного масляного бака.

При первоначальном пуске в полость всасывания 42 вводится порция масла. Выхлопной патрубок роторного компрессора (не показан) должен быть соединен воздушным трубопроводом с расходным жиклером с штуцером на всасывающем патрубке 26, к штуцеру подсоединяется также трубопровод с расходным жиклером для подачи топлива. Выхлопной патрубок через расчетную емкость должен быть соединен с вакуумным отсосом с выхлопной трубой.

Система наддува должна быть герметично соединена с механизмом регулировки сечения дренажного отверстия, причем максимальное его сечение должно быть выбрано из условия обеспечения работы роторной машины на малых оборотах.

Для пуска машины в работу включается зажигание, закрывается дренажное отверстие и проворачивается ротор 2, например, с помощью статора. По мере включения машины в работу открывается дренажное отверстие и задается требуемое число оборотов ротора 2 для прогрева машины. Далее машина нагружается по мере надобности при контроле за давлением масла и температурой охлаждения жидкости.

При работе машины топливо подается через жиклер и распыляется струей сжатого воздуха, также подаваемого через воздушный жиклер. Перед подачей в камеру сгорания 45 топливо испаряется в рекуперационной камере 10. Расход топлива определяется сечением жиклера и давлением воздуха в емкости с топливом. Давление сжатого воздуха и скорость истечения воздушной струи регулируются путем изменения сечения дренажного отверстия. С помощью выбора соответствующих соотношений сечений воздушного и топливного жиклеров обеспечивается требуемое обогащение воздушно-топливной смеси. Одновременное увеличение скорости истечения топлива и воздуха хотя и не меняет обогащения смеси, но ведет к увеличению числа оборотов за счет повышения степени сжатия смеси при ее воспламенении в камере сгорания 45.

Для повышения ясности изложения процессов, происходящих внутри цилиндра 1 при работе роторной машины, целесообразно полости между крышками 5, поверхностями цилиндра 1 и ротора 2, ограниченные двумя смежными лопатками 4, условно называть радиальными вращающимися цилиндрами, общее количество которых равно шести. При этом для изложения внутренних процессов будет достаточно рассмотреть в последовательности процессы, происходящие в одном из радиальных вращающихся цилиндров при одном повороте ротора 2, так как в остальных пяти радиальных вращающихся цилиндрах эти процессы полностью идентичны. Надо отметить, что радиальные вращающиеся цилиндры герметично изолированы друг от друга. Только в зоне соприкосновения образующих цилиндра 1 и ротора 2 смежные цилиндры могут быть связаны друг с другом через рекуперационные каналы 10. Каждый из шести радиальных вращающихся цилиндров меняет свое положение при повороте ротора 2 на 60^o от осей базовых отверстий 19. Назначение полостей 42, 43, 45, 46 по внутреннему периметру цилиндра 1 остается постоянным, а расположение их колеблется, т.е. смещается на 60^o в сторону вращения ротора 2 с возвращением в исходное состояние при каждом повороте ротора 2 на 60^o.

Для рассмотрения процесса подробнее примем, что радиальный вращающийся цилиндр между лопатками а и б совмещен с полостью 45 на цилиндре 1, т.е. совмещен с камерой сгорания. Рассмотрим последовательно процессы, происходящие в радиальном вращающемся цилиндре с лопатками а и б при полном обороте ротора 2.

После воспламенения смеси топлива с воздухом подается импульс рабочего давления на лопатку б. При перемещении радиального вращающегося цилиндра с лопатками а и б на первые 60^o лопатка б₁ постоянно поддерживает постепенно снижающийся импульс на плечо ротора 2 и передней своей поверхности отталкивает отработанный газ выхлопным отверстием 16. По окончании первого поворота на 60^o лопатка б₁ пересекает выхлопное отверстие 16, лопатка а₁ становится на место лопатки б₁, а радиальный вращающийся цилиндр аб становится выхлопной полостью. При этом соединение камеры сгорания с полостью выхлопа многократно большего объема обеспечивает мгновенное расширение рабочего газа, т. е. адиабатный процесс, а следовательно и многократное снижение его температуры и возможность откачки с помощью вакуумного роторного насоса на валу роторной машины.

При перемещении радиального вращающегося цилиндра аб на вторые 60^o лопатка а₂ своей передней поверхностью отталкивает отработанный газ к выхлопным отверстиям 16, а лопатка б₂ отсекает полость отработанного газа 46 от полости всасывания 42. По окончании второго поворота ротора 2 на 60^o лопатка б₂ пересекает отверстия всасывания 17, а лопатка а₂ пересекает отверстия выхлопа 16 и радиальный вращающийся цилиндр аб становится полостью всасывания 42. Всасывание в полость цилиндра аб обеспечивается за счет разрежения в полости, создаваемого за счет вакуумной откачки и снижения температуры отработанного газа, происходящих за счет охлаждения цилиндра 1 и поступления холодной порции воздуха с топливом, а также за счет наддува воздуха, создаваемого роторным компрессором на валу роторной машины.

При перемещении цилиндра аб при третьем повороте ротора 2 на 60^o лопатка а₃ закрывает доступ отработанного газа в полость всасывания и в конце поворота пересекает отверстие всасывания 17 в цилиндре 1, а лопатка б₃ отделяет всасывающую полость от полости сжатия и передней поверхностью начинает процесс сжатия воздуха с топливом. В конце поворота радиальный вращающийся цилиндр аб становится полостью предварительного сжатия 43,а. При перемещении радиального вращающегося цилиндра аб при четвертом повороте ротора 2 на 60^o лопатка б₄ выталкивает порцию сжатой смеси воздуха с топливом, образованную впереди идущим цилиндром через рекуперационные каналы 10 в камеру сгорания 45. Лопатка а₄ создает предварительное сжатие. Полость радиального вращающегося цилиндра аб за счет сужения щели становится полостью сжатия 43,б. Причем усилие сжатия на лопатках аб компенсируется давлением, создаваемым давлением подогретой смеси воздуха с топливом на лопатках камеры сгорания.

При перемещении радиального вращающегося цилиндра при пятом повороте ротора на 60^o лопатка а₅ выталкивает сжатую в цилиндре аб смесь воздуха с топливом в камеру сгорания 45. Радиальный вращающийся цилиндр аб разделяется на две полости за счет линии соприкосновения образующих цилиндра 1 и ротора 2. Лопатка б₅ сгоняет масло в масляную канавку 30, а затем перекрывает доступ подогретой сжатой смеси воздуха с топливом в камеру сгорания 45.

При последнем шести повороте ротора на 60^o при перемещении радиального вращающегося цилиндра аб лопатка б₆ всасывает подогретую сжатую смесь в камеру сгорания 45 и пересекает отверстия 22 свечей зажигания, а лопатка а₆ сгоняет масло в канавку 30 и перекрывает отверстия 19 для поступления сжатой подогретой смеси воздуха с топливом в камеру сгорания 45. Радиальный вращающийся цилиндр с лопатками аб становится камерой сгорания и т.д. Надо еще раз отметить, что описанный процесс происходит шесть раз за один оборот ротора 2.

Герметизация полости радиальных вращающихся цилиндров обеспечивается за счет скольжения лопатки 4 по внутренней поверхности цилиндра 1, крышек 5 и в пазах ротора 2. Кроме того, торцы ротора 2 скользят по поверхности крышек 5.

При запуске машины в работу каждая пара лопаток 4 во взаимодействии с четырьмя толкателями 36 сопрягается с поверхностью цилиндра 1 за счет утопания двух толкателей 36 с лопаткой 4 и соответствующего выступания другой пары. При вращении ротора 2 каждый из двух толкателей с соответствующей лопаткой поджимается к цилиндру 1 за счет центробежной силы.

При работе машины температура охлаждающей жидкости должна быть гарантированно ниже температуры ее кипения, что обеспечивается выбором рациональных параметров каждого из элементов системы охлаждения.

Особенности конструкторского оформления и работы системы смазки связаны с тем, что при вращении ротора в сужающейся щели между ротором 2, цилиндра 1, крышками 5 и лопаткой 4 создается замкнутая полость, в которой при отсутствии дренажа могут возникать высокие давления масла и смеси воздуха с топливом, это может вызвать заклинивание ротора в цилиндре. Особую опасность для заклинивания создает применение масла как несжимаемой жидкости. Для исключения заклинивания на внутренней поверхности внутренней оболочки цилиндра выполнена продольная канавка 30, которая с помощью клапанов отвода 28 соединена с наружной масляной системой. Клапаны отвода 28 отрегулированы так, что исключают проникновение смеси воздуха с топливом. Таким образом канавка 30 является дренажом для указанной замкнутой полости и является одновременно полостью масляного насоса, где утопающие лопатки создают давление, достаточное для открывания клапанов отвода 28, и обеспечивают циркуляцию масла по его наружной магистрали. Поперечные канавки 31, соединенные с продольной канавкой 30, орошают маслом поверхность камеры сгорания 45. Отводимое из канавки 30 масло создает давление в наружной масляной магистрали, состоящей из герметично соединенных трубопроводов, фильтра, бачка с герметичной пробкой. Под давлением в наружной магистрали масло через клапаны впрыскивания 27, каналы 12, отверстия 13 струей орошают лопатки 4 и поверхность ротора 2.

На поверхность цилиндра 1 масло подается за счет центробежных и гравитационных сил. Скользящими по поверхности цилиндра лопатками 4 масло собирается на их боковых передних по вращению поверхностях и подается в сужающуюся полость, а затем и в канавку 30. Этот процесс идет непрерывно пока работает роторная машина. Оптимальная удельная интенсивность перемещения масла по наружной магистрали отрабатывается экспериментально и при необходимости регулируется за счет изменения гидросопротивления системы. Для поддержания давления в наружной магистрали по мере безвозвратной потери масла масляный бачок должен быть снабжен мультипликатором давлений на замкнутую масляную полость с использованием наддува.

Для остановки работы машины открывается дренажное отверстие и выключается зажигание.

Предлагаемая роторная машина не может принести быструю экономию, так как для реализации ее в конструкцию изделия потребуются существенные материальные и временные затраты, но они несовместимо малы с той экономией, что может быть получена в результате реализации в крупномасштабном производстве и при эксплуатации роторных ДВС за счет экономии горючего.

Источники информации

1. ДВС, Политехнический словарь по ред. ак. Артоболевского, СЭ, 1977, с. 132.

2. Ванкеля двигатель, с. 69.

3. Политехнический словарь, с.222.