роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, камеру сгорания, ротор с профилированной внешней поверхностью, выполненный с кулачковыми выступами, имеющими возможность контакта с внутренней цилиндрической поверхностью статора, и перегородки, установленные в статоре вблизи камеры сгорания и выполненные с возможностью перемещения и контакта с профилированной внешней поверхностью ротора, а разделительная перегородка расположена между впускным и выпускным отверстиями, причем внутренность статора, ротор и перегородки образуют переменные объемы, а камера сгорания выполнена из предкамеры и основной камеры, где основной камерой является один из переменных объемов статора, отличающийся тем, что предкамера размещена на статоре и выполнена с отверстиями, а на роторе выполнены каналы, имеющие возможность взаимодействовать с отверстиями предкамеры, внутренней поверхностью статора и переменными объемами статора.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что ротор имеет боковые щечки круглого сечения.

3. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что подвижных перегородок установлено рядом несколько штук.

4. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что предкамера имеет свечу для воспламенения топливной смеси.

5. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что вместо свечи для воспламенения топлива установлена форсунка для подачи топлива.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель (патент РФ №2203430 от 04.10.2000 г., Гусаров В.А., Роторный двигатель), содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью, камеру сгорания, ротор с профилированной внешней поверхностью и заслонки, установленные в пазах корпуса с возможностью контакта с профилированной внешней поверхностью ротора с образованием камеры впуска топливной смеси и камеры выпуска отработавших газов, причем впускная и выпускная заслонки расположены вблизи камеры сгорания с ее противоположных сторон, а разделительная заслонка расположена с противоположной от камеры сгорания стороны между впускным и выпускным отверстиями. Выпускная заслонка выполнена с возможностью полного ее открытия во время всего рабочего хода ротора по камере выпуска и при выпуске отработанных газов.

Однако в данной схеме не показано, но подразумевается, что имеется какое-то дополнительное устройство, открывающее и закрывающее впускную и выпускную заслонки в камеру сгорания в нужный момент времени. Ротор своим кулачком не может заранее открыть впускную заслонку в камеру сгорания и пропустить в нее сжимающуюся топливную смесь, также как не может держать открытой выпускную заслонку в течение всего рабочего хода, т.е. от камеры сгорания до выпускного отверстия в корпусе двигателя, так как кулачок в эти моменты с указанными заслонками не контактирует. Дополнительное устройство, управляющее указанными заслонками, усложняет конструкцию двигателя и вносит дополнительный элемент ненадежности.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент США №3422801, МПК F 02 B 53/10, опубл. 21.01.1969), принятый за прототип, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, камеру сгорания, ротор с профилированной внешней поверхностью, выполненный с кулачковыми выступами, имеющими возможность контакта с внутренней цилиндрической поверхностью статора, и перегородки, установленные в статоре вблизи камеры сгорания с ее противоположных сторон и выполненные с возможностью перемещения и контакта с профилированной внешней поверхностью ротора, а разделительная перегородка расположена между впускным и выпускным отверстиями, причем внутренность статора, ротор и перегородки образуют переменные объемы, а камера сгорания выполнена из предкамеры и основной камеры, где предкамера выполнена на статоре в виде дугообразной канавки с переменным радиусом, которая закрывается торцом ротора, образуя замкнутый объем предкамеры, а основной камерой сгорания является один из переменных объемов статора, при этом на кулачковой части ротора выполнены каналы с отверстиями, причем отверстия имеют возможность взаимодействовать с дугообразной канавкой предкамеры и внутренней поверхностью статора, а каналы кулачковой части ротора имеют возможность взаимодействовать с переменными объемами статора.

Однако в данной схеме имеются недостатки.

Во-первых, не полный оборот ротора используется как рабочий ход вследствие необходимости определенного взаимного расположения и конфигурации взаимодействующих элементов: дугообразной предкамеры и отверстий каналов в роторе, которые взаимодействуют с дугообразной предкамерой и торцевой поверхностью статора. Вследствие неполного использования ротора для рабочего хода снижается удельная мощность двигателя.

Во-вторых, топливная смесь, которая сжимается движением кулачкового выступа ротора, в момент, когда отверстие канала ротора соединяется с предкамерой, начинает расширяться, и тут же предкамера отсекается от камеры сжатия, и другое отверстие ротора соединяет предкамеру с переменной камерой расширения, в результате чего совершается рабочий ход. То есть воспламенение топливной смеси происходит не в момент наивысшего сжатия топливной смеси, а значит, мощность двигателя оказывается ниже.

Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемой схеме роторного двигателя внутреннего сгорания. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в максимальном повышении удельной мощности двигателя.

Результат достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит статор с внутренней цилиндрической поверхностью, камеру сгорания, ротор с профилированной внешней поверхностью, выполненный с кулачковыми выступами, имеющими возможность контакта с внутренней цилиндрической поверхностью статора, и перегородки, установленные в статоре вблизи камеры сгорания с ее противоположных сторон и выполненные с возможностью перемещения и контакта с профилированной внешней поверхностью ротора, а разделительная перегородка расположена между впускным и выпускным отверстиями, причем внутренность статора, ротор и перегородки образуют переменные объемы, а камера сгорания выполнена из предкамеры и основной камеры, где предкамера размещена на статоре, а основной камерой является один из переменных объемов статора.

В отличие от прототипа, замкнутый объем предкамеры с отверстием выполнен полностью в теле статора, а на роторе выполнены каналы, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, внутренней поверхностью статора и переменными объемами статора.

Таким образом, переменные объемы статора - это переменные камеры статора, образуемые кулачковыми выступами ротора и подвижными перегородками, подобны камерам, образуемым традиционным цилиндром и подвижным поршнем, и заменяют их, а традиционная система газораспределения в предлагаемом двигателе отсутствует, поскольку ее заменяет система каналов в статоре, которые, в момент взаимодействия их с отверстием предкамеры, пропускают газ (топливную смесь) из переменного объема статора (камеры сжатия) в предкамеру или из предкамеры воспламенившуюся топливную смесь в переменный объем - основную камеру (камеры сгорания), где расширяющиеся продукты сгорания топливной смеси давят на кулачковый выступ ротора, заставляя его совершать рабочий ход. Закрывается отверстие предкамеры при дальнейшем вращении ротора частью статора, где отсутствуют каналы.

Предлагаемый двигатель может быть выполнен по схеме бензинового с зажиганием от свечи или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с воспламенением от сжатого воздуха (схема дизеля). В этом случае вместо свечи устанавливается форсунка.

Конструктивная схема предлагаемого двигателя иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид двигателя с разрезом.

На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1.

На фиг.3 изображен разрез по Б-Б фиг.1.

На фиг.4 изображена в увеличенном масштабе часть общего вида двигателя (разрез по предкамере сгорания).

На фиг.5 изображен разрез по В-В фиг.4.

На фиг.6 изображен разрез по Г-Г фиг.4.

На фиг.7 изображен разрез части двигателя в варианте вместо одной с двумя подвижными перегородками.

Предлагаемый двигатель включает в себя статор 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде герметично закрытого кругового цилиндра. Внутри статора 1 размещен ротор 2, выполненный с внешней профилированной поверхностью, например, с двумя кулачковыми выступами 3 и 4, которые имеют возможность скользить по внутренней цилиндрической поверхности статора 1, образуя герметичное подвижное соединение. Ротор 2 по торцам оборудован двумя круглыми боковыми щечками 16 и кольцевыми проточками, на которых выполнены каналы 17, 18, 19, 20. Радиально к цилиндрической поверхности статора 1, на противоположных сторонах, герметично установлены две подвижные перегородки 5 и 6, которые постоянно поджаты к кулачковому профилю ротора 2 с помощью пружин 7 и образуют с поверхностью ротора 2 (внешней профилированной поверхностью с кулачковыми выступами 3, 4 и боковыми щечками 16) подвижное герметичное соединение. Торцевые поверхности ротора 2 и торцевые поверхности статора 1, а также цилиндрические поверхности кольцевых проточек ротора 2 с расположенными на ней каналами 17, 18, 19, 20 и контактирующая с ней часть статора 1 образуют подвижное герметичное соединение. Кулачковые выступы 3 и 4 ротора 2 и подвижные перегородки 5 и 6 отсекают объемы - переменные объемы камер 21, 22, 23 и 24 статора 1. По обе стороны от подвижной перегородки 5, вблизи нее, в статоре 1 выполнены два отверстия 8 и 9. Отверстие 8 - впускное и служит для подвода топливной смеси (или наружного воздуха). Отверстие 9 - выпускное и служит для выпуска отработанных газов. Отверстия 14 и 15 служат для впуска свежей порции топливной смеси в предкамеры 10 и 12 и для выпуска воспламенившийся топливной смеси. Каждая из предкамер 10 и 12 оборудована свечей зажигания (для воспламенения топливной смеси) 11 и 13.

Двигатель работает следующим образом.

Исходное положение ротора 2 может быть любым. Для примера: кулачковый выступ 4 ротора 2 находится справа от подвижной перегородки 5. Вращение ротора 2 происходит по часовой стрелке, как показано стрелкой на фиг.2 и фиг.3. Поскольку кулачковые выступы 3 и 4 ротора 2 и каналы 17 и 19, 18 и 20 расположены симметрично друг от друга, то такты работы двигателя для каждой из предкамер сгорания 10 и 12 также симметричны. Момент, возникающий при вращении ротора 2, когда его кулачковые выступы 4 и 3 отжимают подвижные перегородки 6 и 5, утапливая их внутрь статора 1, - это точки «мертвой зоны». Рассмотрим такты работы для каждой камеры двигателя.

1 такт (фиг.2, 3). Впуск (для камеры 21). При вращении ротора 2 в переменном (увеличивающемся) объеме камеры 21, образуемом подвижной перегородкой 5 и кулачковым выступом 4 ротора 2, возникает разрежение, и через отверстие 8 в камеру 21 поступает свежая топливная смесь. Поскольку каналы 18 (фиг.2) свободно соединены только с камерой 21, то они также заполняются свежей топливной смесью. Канал 19, в этот момент, не соединен с камерой 21. Когда камеру 21 образуют кулачковый выступ 3 и перегородка 5, процесс происходит аналогично описанному выше (с каналами 20 и 17).

2 такт (фиг.2, 3, 5, 6). Сжатие (для камеры 22). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 4 или 3 пересекает подвижную перегородку 6 («мертвая зона»), а кулачковый выступ 3 или 4 последовательно пересекает подвижную перегородку 5 («мертвая зона»), а затем впускное отверстие 8, и, таким образом, поступившая во внутренний объем 21 статора 1 свежая топливная смесь оказывается запертой в нем. В этом положении данный переменный (уменьшаемый) объем, образуемый между (фиг.2, 3) кулачковым выступом 4 ротора 2 и подвижной перегородкой 6, - это камера 22. Камера 22 соединена с каналом 17, который взаимодействует с отверстием 14 предкамеры 10, куда и поступает сжимающаяся топливная смесь. В конце такта кулачковый выступ 4 ротора 2 подходит к подвижной перегородке 6, полностью вытесняя сжатую в камере 22 топливную смесь в канал 17 и через отверстие 14 в предкамеру 10. Далее отверстие 14 закрывается частью статора 1 и, таким образом, сжатая топливная смесь оказывается запертой в предкамере 10. Каналы 20 не соединены с камерой 22 и не взаимодействуют, в данный момент, с ней.

Если, при вращении ротора 2, камера 22 образуется кулачковым выступом 3 и подвижной перегородкой 6, то камера 22 оказывается соединенной с каналом 19, который взаимодействует с отверстием 15 предкамеры 12, куда в свою очередь и поступает сжимающаяся топливная смесь. То есть процесс происходит аналогично, как и с предкамерой 10.

3 такт (фиг.2, 3, 5, 6). Рабочий ход (для камеры 23). При дальнейшем движении ротора 2 его кулачковый выступ 3 или 4 пересекает подвижную перегородку 6 и образует новый переменный расширяющийся объем между подвижной перегородкой 6 и кулачковым выступом 3 или 4 ротора 2. Это - камера 23. На фиг.2, 3 показана камера 23, когда она образована кулачковым выступом 3 и перегородкой 6. Свечей зажигания 11 в предкамере 10 была воспламенена топливная смесь, а отверстие 14 предкамеры 10 соединилось с каналом 18, через который и были выпущены в камеру 23 сгорающие (расширяющиеся) газы. Давление расширяющихся газов давит на кулачковый выступ 3 ротора 2, заставляя его поворачиваться и совершать рабочий ход.

Если при вращении ротора 2 камера 23 образуется кулачковым выступом 4 и перегородкой 6, то камера 23 оказывается соединена каналом 20 с отверстием 15 предкамеры 12 и процесс происходит аналогично описанному выше.

Так как воспламенение топливной смеси происходит в предкамере 10 (или 12), а расширяющиеся газы проникают в камеру 23 через отверстие 14 (или 15) и канал 20 (или 18), то давление на кулачковый выступ 4 (или 3) ротора возрастает плавно, без взрыва, что создает плавный режим работы двигателя.

4 такт (фиг.2, 3). Выпуск отработанных газов (для камеры 24). Когда объем с расширяющимися газами соединяется с выпускным отверстием 9, в этот момент образуется камера 24. Как показано на фиг.2, 3, кулачковый выступ 3 ротора 2, перемещаясь, уменьшает объем камеры 24, образованной кулачковым выступом 3 и подвижной перегородкой 5, вытесняя отработанные газы через выпускное отверстие 9 наружу. В конце такта кулачковый выступ 3 ротора 2 пересекает подвижную перегородку 5, образуя новый переменный расширяющийся объем (камеру 21), куда через открытое впускное отверстие 8 засасывается новая порция топливной смеси, и цикл повторяется.

Для камеры 24, образованной кулачковым выступом 4 и перегородкой 5, процесс происходит аналогично описанному.

Таким образом, видно, что в правой части двигателя располагаются переменного объема камеры 21 и 22, где камера 21 расширяющегося объема и в ней происходит всасывание свежей порции топливной смеси (или воздуха) через открытое отверстие 8, а камера 22 уменьшающего объема и в ней происходит сжатие поступившей топливной смеси из камеры 21. То есть камера 21 - камера всасывания, а камера 22 - камера сжатия.

В левой части двигателя располагаются переменного объема камеры 23 и 24. Камера 23 расширяющегося объема и в ней происходит расширение сгораемой топливной смеси, поступившей из предкамеры 10 или 12, и давление ее (сгораемой смеси) на кулачковый выступ 3 или 4 и, соответственно, осуществление рабочего хода, то есть камера 23 вместе с предкамерой 10 или 12 - это камера сгорания, и камеру 23 (основная камера) можно назвать камерой рабочего хода. Когда камера соединяется с выпускным отверстием 9, то данная камера становится камерой уменьшаемого объема, то есть камерой 24. Камера 24 - камера выпуска отработанного газа (камера выхлопа).

Поскольку статор 1 оборудован двумя предкамерами 10 и 12, которые поочередно используют одну основную камеру 23 (образуя совместно камеру сгорания «предкамера 10 - основная камера 23» или «предкамера 12 - основная камера 23»), то за один оборот ротора 2 происходит два такта рабочего хода, что соответствует традиционному четырехцилиндровому четырехтактному двигателю.

Описанный выше двигатель может быть использован в комбинациях с одним, двумя, тремя, четырьмя и т.д. кулачковыми выступами ротора и, соответственно, одним, двумя, тремя, четырьмя и т.д. предкамерами сгорания, а также в блоке из нескольких роторов.

Применение в данной конструкции боковых щечек позволяет с большей эффективностью уплотнять подвижное соединение «статор - ротор», а также применить в этом подвижном соединении бесконтактное лабиринтное уплотнение. На фиг.4 показан зазор в указанном подвижном соединении для создания бесконтактного лабиринтного уплотнения. Это позволяет увеличить долговечность и надежность двигателя.

Применение нескольких подвижных перегородок, например, как показано на фиг.7, позволяет, при необходимости, осуществить более надежное подвижное уплотнение в контактах: «ротор-перегородка» и «подвижная перегородка-статор».

Предлагаемый двигатель может быть выполнен по схеме бензинового с зажиганием от свечи или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с воспламенением от сжатого воздуха (схема дизеля). В этом случае вместо свечи устанавливается форсунка.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания, заключается в повышении удельной мощности при минимизации количества движущихся частей, поскольку движущими частями является только ротор и, при двухкулачковым роторе, две подвижные перегородки, что позволяет при простоте конструкции повысить мощность и надежность работы двигателя.