роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора установлены кольцевые уплотнения.

3. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что заслонки подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми образованы каналы для подачи смазывающей жидкости.

4. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что рабочие объемы в полости расширения выполнены больше, чем рабочие объемы в полости сжатия.

5. Роторный двигатель внутреннего сгорания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диски ротора снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса выполнены вентиляционные окна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

В современном двигателестроении известны роторные двигатели внутреннего сгорания различного типа. Их можно разделить на роторно-поршневые, роторно-лопастные и собственно роторные двигатели. Роторно-поршневые двигатели содержат поршни и цилиндры, которые объединяются в единый блок либо в виде многолучевой звезды, либо в виде барабана. В звездообразных двигателях каждый поршень имеет ролик, опирающийся на рабочую дорожку, проточенную в виде "восьмерки" на неподвижном силовом кольце, а в центре корпуса расположен неподвижный золотник для подвода рабочей смеси в цилиндры. В двигателях барабанного типа поршни движутся в цилиндрах навстречу друг другу, образуя рабочие камеры переменного объема, а их поступательное движение преобразуется во вращательное движение вала с помощью "косых" шайб. В роторно-лопастных двигателях внутреннего сгорания основными рабочими элементами являются лопасти, которые делят цилиндрическую полость корпуса на четыре замкнутых объема. Для осуществления в них термодинамических процессов лопасти должны совершать сложное движение, которое кроме вращательного состоит также из движения, подобного движениям ножниц. Более простую конструкцию имеют собственно роторные двигатели внутреннего сгорания, в которых переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов образуются рабочими поверхностями ротора и корпуса. Такие двигатели имеют либо внутреннюю полость сложной формы и простой ротор как, например, в двигателях Ванкеля, либо цилиндрическую форму внутренней полости и ротор сложной конструкции с подвижными поршнями (см., например, книгу Гуськова Г.Г. Необычные двигатели. - М. : Знание, 1971 г., авт. св. N 1518555, кл. F 02 B 53/00, 1989).

Основным недостатком известных роторно-поршневых и собственно роторных двигателей внутреннего сгорания является небольшой ресурс их работы вследствие быстрого износа рабочих поверхностей, что обусловлено наличием больших центробежных сил, действующих на рабочие элементы двигателя. К недостаткам известных собственно роторных двигателей, кроме того, можно отнести также ненадежную работу уплотнений, неудобную форму камеры сгорания, сложную форму внутренней полости либо сложную конструкцию ротора. Основным недостатком роторно-лопастных двигателей внутреннего сгорания является сложная система управления лопастями.

В значительной мере от отмеченных недостатков свободны роторные двигатели с цилиндрической внутренней полостью и простым ротором, переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов в которых образуются с помощью профилирования наружной поверхности ротора и установки системы заслонок в пазах корпуса.

Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерой сгорания, снабженной перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. В средней части ротора указанного двигателя выполнен выступ, входящий в кольцевую проточку корпуса, являющуюся рабочей камерой двигателя. Заслонки подразделяются на переднюю, заднюю, разделительную и имеют механизм управления, который снабжен толкателем и двумя двуплечими рычагами, кинематически связанными между собой и с заслонками, причем толкатель установлен в полости корпуса с возможностью взаимодействия с внешней поверхностью ротора, а разделительная заслонка выполнена полой в виде золотникового клапана с возможностью перекрытия впускного канала (см. патент РФ N 2008468, кл. F 02 B 53/00, 1991).

К основным недостаткам описанного двигателя внутреннего сгорания можно отнести сложную систему управления заслонками и невысокую мощность, обусловленную тем, что за один оборот ротора в этом двигателе совершается только один рабочий цикл.

Целью настоящего изобретения является повышение мощности двигателя и упрощение управления системой заслонок.

Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения.

Корпус двигателя может быть выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора могут быть установлены кольцевые уплотнения.

Заслонки могут быть подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми могут быть образованы каналы для подачи смазывающей жидкости.

С целью повышения КПД и улучшения экологических показателей двигателя рабочие объемы в полости расширения могут быть выполнены больше, чем в полости сжатия.

С целью обеспечения воздушного охлаждения двигателя диски ротора могут быть снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса могут быть выполнены вентиляционные окна.

Разделение внутренней цилиндрической полости корпуса на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, выполнение ротора из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых имеются чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, разворот дисков так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого, попарное размещение заслонок около каждой камеры сгорания, установка одной из заслонок каждой пары в полости сжатия, а другой в полости расширения позволяет в несколько раз повысить мощность двигателя за счет увеличения количества рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора, и упростить управление заслонками до минимума, поскольку для его осуществления не требуется никаких механизмов, кроме пружин, прижимающих их к внешним профилированным поверхностям ротора. Количество рабочих циклов за один оборот ротора и соответственно степень повышения мощности двигателя зависит от количества камер сгорания. При двух камерах за один оборот ротора в предлагаемом двигателе совершается два рабочих цикла, при четырех камерах - восемь, при шести - восемнадцать и т.д.

Выполнение корпуса двигателя разборным позволяет существенно упростить технологию его изготовления, а выполнение заслонок из двух профилированных пластинок - достаточно просто обеспечить смазку рабочих поверхностей двигателя.

Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ.

Устройство предлагаемого двигателя в четырехкамерном карбюраторном варианте показано на фиг. 1, 2, где стрелками показано движение рабочей смеси.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания 2, снабженными перекрывающимися перепускными каналами 3, 4 и источниками воспламенения 5, ротор 6 и систему заслонок 7, 8, установленных в пазах корпуса 1 и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора 6.

Корпус 1 выполнен разборным, состоящим из центрального элемента 9, двух статорных элементов 10, 11 с пазами для установки заслонок 7, 8 и двух боковых крышек 12 с местами крепления вала 13 ротора 6. Статорные элементы 10 и 11 образуют самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четыре равномерно размещенных по окружности центрального элемента 9 камеры сгорания 2 с перепускными каналами 3 и 4, а между контактирующими элементами корпуса 1 и ротора 6 установлены кольцевые уплотнения 14.

Ротор 6 состоит из двух установленных на общем валу 13 и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков 15 и 16 соответственно, на внешних поверхностях каждого из которых выполнены по два чередующихся с цилиндрическими частями сегментообразных выреза, которые вместе с заслонками 7, 8 образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов. Диски 15 и 16 развернуты относительно друг друга так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого.

Заслонки 7 и 8 имеют одинаковую конструкцию и выполнены в виде подвижных подпружиненных профилированных и соприкасающихся пластинок 17 и 18, между которыми образованы каналы 19 для подачи смазывающей жидкости, снабжены перекрывающимися каналами 20 впуска-выпуска и попарно размещены около каждой камеры сгорания 2. При этом заслонки 7 каждой пары установлены в полости сжатия, а заслонки 8 - в полости расширения.

Рабочие объемы в полости расширения за счет большей ширины диска 16 ротора 6 выполнены больше, чем рабочие объемы в полости сжатия.

Диски 15 и 16 ротора снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости 21, а во внутренних частях центрального элемента 9 и боковых крышек 12 корпуса 1 выполнены вентиляционные окна 22 и 23.

Двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора 6 напротив каждой камеры сгорания 2 поочередно оказываются то сегментообразные вырезы, то цилиндрические части дисков 15 и 16. Когда перед какой-либо камерой сгорания 2 проходит сегментообразный вырез диска 15, то заслонка 7 в полости сжатия опущена, ее канал впуска-выпуска 20 с задней стороны открыт, перепускной канал 3 камеры сгорания 2 со стороны полости сжатия открыт, а перепускной канал 4 со стороны полости расширения закрыт цилиндрической частью диска 16, заслонка 8 в полости расширения поднята, ее канал впуска-выпуска 20 закрыт. В это время в уменьшающемся рабочем объеме, образованном сегментообразным вырезом диска 15 перед заслонкой 7, происходит сжатие рабочей смеси, впущенной в него при прохождении предыдущей заслонки 7, и нагнетание ее в камеру сгорания 2 через перепускной канал 3. Одновременно в увеличивающийся рабочий объем за заслонкой 7 производится впуск свежего заряда рабочей смеси через ее открытый канал 20. Когда следующая за сегментообразным вырезом цилиндрическая часть диска 15 в процессе поворота достигнет рассматриваемой камеры сгорания 2, сжатие рабочей смеси заканчивается и перепускной канал 3 перекрывается цилиндрической частью диска 15 на все время ее прохождения мимо камеры сгорания 2. Заслонка 7 поднимается, ее канал впуска-выпуска 20 перекрывается. В момент перекрытия перепускного канала 3 или несколько раньше производится воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 2 источником воспламенения 5 и начинается процесс ее горения. К этому времени перед рассматриваемой камерой сгорания 2 оказывается сегментообразный вырез диска 16. Заслонка 8 в полости расширения опускается, ее канал впуска-выпуска 20 и перепускной канал 4 камеры сгорания 2 открываются и начинается процесс расширения образовавшихся при горении рабочей смеси газов в увеличивающийся рабочий объем, образованный за заслонкой 8. В процессе расширения совершается полезная работа по вращению ротора 6. Одновременно производится выпуск отработавших в рабочем цикле предыдущей камеры сгорания 2 газов из уменьшающегося рабочего объема перед заслонкой 8 через ее открытый канал впуска-выпуска 20. Расширение продолжается до тех пор, пока сегментообразный вырез диска 16 не достигнет следующей заслонкой 8, через канал 20 которой будет произведен выпуск отработавших в рассматриваемом рабочем цикле газов.

При вращении ротора 6 установленные под углом к осям дисков 15 и 16 ребра жесткости осуществляют прокачку воздуха через вентиляционные окна 22 и 23 центрального элемента 9 и боковых крышек 12 корпуса 1, обеспечивая воздушное охлаждение двигателя, а через каналы 19, образованные в заслонках 7 и 8, непрерывно подается смазывающая рабочие поверхности ротора 6 жидкость.

Поскольку каждый сегментообразный вырез дисков 15 и 16 за один оборот ротора 6 проходит четыре камеры сгорания 2 и таких вырезов в приведенном варианте двигателя по два, то за один оборот ротора 6 будет совершаться по восемь тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска рабочей смеси, т.е. число полных рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора 6, будет равно восьми.

Возможен также вариант двигателя, в котором перекрывающиеся каналы впуска-выпуска выполнены в боковых крышках 12 корпуса 1. Впускные каналы в полость сжатия при этом размещаются за заслонками 7, а выпускные из полости расширения - перед заслонками 8, что позволяет упростить схему газообмена и уменьшить гидравлические сопротивления при впуске-выпуске рабочей смеси.

Аналогично устроен и работает двигатель при любом другом количестве камер сгорания и может использоваться как в карбюраторном, так и в дизельном вариантах. В дизельном варианте в рабочие объемы в полости сжатия впускается воздух, а вместо источников воспламенения 5 устанавливаются форсунки для впрыска топлива.

В силу полной симметрии двигатель хорошо сбалансирован, не имеет соударяющихся элементов и практически бесшумен.

Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ.

Повышение КПД двигателя возможно не только за счет осуществления в нем рабочих циклов с продолженным расширением, но и за счет обеспечения горения рабочей смеси при постоянном объеме, что особенно эффективно для дизельного варианта двигателя и может быть легко достигнуто путем разнесения во времени моментов закрытия перепускных каналов камер сгорания со стороны полости сжатия и открытия их со стороны полости расширения.

Двигатель содержит небольшое количество создающих трение элементов, вследствие чего имеет невысокий процент механических потерь.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующие преимущества:

в несколько раз большую удельную мощность, чем у известных двигателей;

высокую мощность двигателя при небольших оборотах ротора;

большой крутящий момент на валу двигателя;

большой ресурс работы за счет малого износа рабочих поверхностей двигателя;

малые габариты, простую конструкцию двигателя и его основных элементов;

простую систему смазки рабочих поверхностей двигателя;

высокие термический и эффективный КПД;

минимальный шум двигателя.