роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий выполненный в виде корпуса статор, ротор, установленный внутри статора с образованием, по меньшей мере, одной камеры сгорания и, по меньшей мере, одной полости расширения, форсунки подачи топлива и свечи зажигания, связанные с камерами сгорания, впускные и выпускные окна, а также, по меньшей мере, один радиально направленный поршень, установленный внутри ротора и связанный с коленчатым валом, который, в свою очередь, расположен концентрично внутри ротора и кинематически связан с последним с возможностью вращения в разные стороны, отличающийся тем, что ротор установлен концентрично в статоре, при этом предусмотрены центрирующие планки, закрепленные на статоре с возможностью центрирования коленчатого вала по оси статора, а также центрирующие крестовины, жестко соединенные с ротором, с возможностью свободного вращения вокруг коленчатого вала и центрирования ротора по оси статора, на роторе жестко закреплено зубчатое колесо внутреннего зацепления, на коленчатом валу жестко закреплено зубчатое колесо наружного зацепления, кинематическая связь ротора с коленчатым валом обеспечивается посредством свободно вращающегося блока передаточных шестерен, связанных с зубчатыми колесами ротора и коленчатого вала с возможностью обеспечения одинаковой скорости вращения ротора и коленчатого вала в разных направлениях, радиально направленные поршни размещены в жестко закрепленных в полости ротора цилиндрах с возможностью нагнетания воздуха в камеры сгорания, на коленчатом валу предусмотрена система кулачков, предназначенная для регулирования и изменения, в зависимости от нагрузки двигателя, фаз работы клапанов впуска воздуха в жестко закрепленные в полости ротора цилиндры, на роторе предусмотрен кулачок, предназначенный для регулирования фаз работы затворов, во внутренней полости статора предусмотрены подвижные перегородки, регулирующие проходное сечение выпускных окон отработавших газов в зависимости от нагрузки двигателя, а геометрия внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора подобраны таким образом, что горение топливного заряда в камерах сгорания происходит в условиях постоянного объема.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области машиностроения, более конкретно к комбинированным двигателям с наддувом и с постоянным объемом сгорания, и могут найти применение в народном хозяйстве, в частности, практически на любом виде транспорта.

В современных двигателях внутреннего сгорания повышение мощностных характеристик связано с совершенствованием систем подготовки топлива к сгоранию, подачи его в цилиндры, увеличением степени сжатия, снижения вредных выбросов от продуктов сгорания в атмосферу и др.

Известны двигатели внутреннего сгорания, в которых применяется кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма. Основу кинематической схемы двигателя составляет кривошипно-шатунный механизм, от которого существенно зависят термодинамические процессы, происходящие в цилиндрах, и передача движения от работы газов через шатун на кривошип.

К основным недостаткам кривошипно-шатунных механизмов можно отнести следующие:

- неравномерное движение поршня в цилиндре, за 90° угла поворота кривошипа поршень проходит больше половины пути до нижней мертвой точки (НМТ), в результате, в процессе расширения газов быстро растет объем цилиндра (увеличивается в 4 раза) и, соответственно, уменьшается давление газов на поршень;

- при прохождении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) объем камеры сгорания только на мгновение остается постоянным, затем ее объем изменяется, топливо, поступившее в цилиндр, не успевает пройти физико-химическую подготовку к сгоранию, не сгорает полностью, несгоревшие остатки продуктов сгорания выбрасываются наружу и загрязняют атмосферу;

- средний радиус кривошипа на активной фазе угла 0-90° поворота кривошипа составляет 0.67 от номинала, а при наибольшем давлении газов в процессе их расширения, по фазе угла поворота кривошипа 0-40° средний радиус примерно равен 0.48 (данные для двигателя ВАЗ 2108);

- передача движения от поршня через шатун на кривошип производится с передаточным отношением 1:1.57, т.е. скорость поршня меньше окружной скорости кривошипа (по аналогии с зубчатой передачей, в которой угловая скорость ведомой шестерни больше угловой скорости ведущей шестерни), а усилие, передаваемое от поршня на шатун, составляет около 0.64 величины давления газов на поршень.

Следует заметить, что при повороте кривошипа от 270° до 360° передаточное отношение изменяется на обратное, т.е. кривошип затрачивает энергии на преодоление сил сжимаемого воздуха и сил инерции поршня в 1.57 раза меньше.

В результате эффективность работы газов в цилиндре в процессе расширения значительно снижается и находится в пределах 0.42-0.47 от их индикаторной работы.

Из уровня техники известны также двигатели внутреннего сгорания с вращающимся ротором-поршнем, размещенным внутри цилиндра, например роторно-поршневой двигатель Ванкеля, выпускаемый серийно. В таком двигателе грани треугольного ротора скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объемы камер в цилиндре. Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл работы двигателя без применения коленчатого вала, отдельного маховика и классического механизма газораспределения. Но необычная геометрия цилиндра и ротора приводит к усложнению конструкции двигателя и создает трудности при конструировании эффективной системы уплотнений (см. книгу Н.С. Ханина, С.Б. Чистозвонова "Автомобильные роторно-поршневые двигатели", 1964 г.).

Известны двигатели внутреннего сгорания, у которых ротором является блок цилиндров с перемещающимися по ним поршнями, который вращается вокруг неподвижного статора, при этом цилиндры вращаются вокруг оси неподвижного вала, а поршни еще и вокруг оси кривошипного вала. Примером выполнения такого двигателя является ротативный двигатель "Гном", который выпускался серийно и устанавливался на самолетах "Фарман" французского производства. Наряду с определенными достоинствами он имеет и недостатки, такие как сложность конструкции, из-за нетрадиционной компоновки двигателя (см. книгу П.Д. Дузь "История воздухоплавания в России", 1986 г.).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является роторный двигатель внутреннего сгорания, раскрытый в патентной литературе JP 2000136728 от 16.05.2000, содержащий статор и ротор, внутри которого находится блок радиальных поршней, связанных с коленчатым валом, вращающимся в противоположную ротору сторону. Кинематическая связь ротора и коленчатого вала осуществлена с помощью дифференциального механизма, размещенного в отдельном корпусе.

Недостатками данного двигателя являются большие габаритные размеры, сложность изготовления, неудовлетворительные технические характеристики из-за больших внутренних потерь мощности, плохая работа и большой расход топлива на переходных режимах и при функционировании с неполной нагрузкой.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка роторного двигателя, позволяющего исключить вышеуказанные недостатки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение технических показателей, увеличение КПД, снижение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции как самого двигателя, так и вспомогательных систем, таких, например, как система подачи топлива или система выпуска отработавших газов или система газораспределения, возможность создания экологически чистого двигателя, работающего на обедненных смесях воздуха и топлива, в качестве которого может служить бензин с любым октановым числом, дизтопливо, нефть, смесь нефти с бензином или газ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит выполненный в виде корпуса статор, ротор, установленный внутри статора с образованием, по меньшей мере, одной камеры сгорания и, по меньшей мере, одной полости расширения, форсунки подачи топлива и свечи зажигания, связанные с камерами сгорания, впускные и выпускные окна, а также, по меньшей мере, один радиально направленный поршень, установленный внутри ротора и связанный с коленчатым валом, который, в свою очередь, расположен концентрично внутри ротора и кинематически связан с последним с возможностью вращения в разные стороны. Согласно предлагаемому изобретению ротор установлен концентрично внутри статора, при этом предусмотрены центрирующие планки, закрепленные на статоре с возможностью центрирования коленчатого вала по оси статора, а также центрирующие крестовины, жестко соединенные с ротором, с возможностью свободного вращения вокруг коленчатого вала и центрирования ротора по оси статора, при этом на роторе жестко закреплено зубчатое колесо внутреннего зацепления, а на коленчатом валу жестко закреплено зубчатое колесо наружного зацепления. Кинематическая связь ротора с коленчатым валом обеспечивается посредством свободно вращающегося блока передаточных шестерен, связанных с зубчатыми колесами ротора и коленчатого вала с возможностью обеспечения одинаковой скорости вращения ротора и коленчатого вала в разных направлениях. Радиально направленные поршни размещены в жестко закрепленных в полости ротора цилиндрах с возможностью нагнетания воздуха в камеры сгорания, на коленчатом валу предусмотрена система кулачков, предназначенная для регулирования и изменения, в зависимости от нагрузки двигателя, фаз работы клапанов впуска воздуха в жестко закрепленные в полости ротора цилиндры. На роторе предусмотрен кулачок, предназначенный для регулирования фаз работы затворов выпускных окон отработавших газов, а во внутренней полости статора предусмотрены подвижные перегородки, регулирующие проходное сечение выпускных окон в зависимости от нагрузки двигателя. Геометрия внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора подобраны таким образом, что горение топливного заряда в камерах сгорания происходит в условиях постоянного объема.

Поскольку в предлагаемом устройстве объем полости расширения значительно больше объема сжатия (рабочий объем цилиндра), возможно полностью использовать давление расширяющихся газов вплоть до достижения ими атмосферного давления (в отличие от классического двигателя внутреннего сгорания (ДВС), где рабочие газы выпускаются наружу, когда их давление составляет еще порядка 5-7 атм), что ведет к упрощению системы выхлопа.

Горение топливного заряда происходит в условиях постоянного объема, т.е. в сжатом виде, в замкнутом пространстве и достаточное время. В данном случае создаются почти идеальные условия горения заряда и накапливания внутренней энергии газа, процессы окисления идут до конца (экологичность выхлопа), состав смеси может быть предельно обедненным, а степень сжатия достаточно большой. Все это ведет к улучшению технических показателей и увеличению КПД. Также возможно применение дизельного режима воспламенения смеси, появляется возможность работы на обедненных смесях воздуха и топлива, в качестве которого может служить бензин с любым октановым числом, дизтопливо, нефть, смесь нефти с бензином или газ.

Комбинируя изменение угла между блоками кулачков коленвала (т.е. изменяя объем воздуха, закачиваемого в камеру сгорания) с изменением положения подвижных стенок статора (т.е. изменяя начало соединения полости расширения с атмосферой), нетрудно организовать так называемый процесс торможения двигателем (на основе создания вакуума в полости расширения), что ведет к повышению безопасности движения и уменьшению потребления топлива.

Предлагаемая компоновка двигателя обеспечивает:

- отсутствие ударных нагрузок на подвижные детали;

- т.к. двигатель симметричен, отсутствуют радиальные нагрузки на оси вращения;

- простоту и облегчение конструкции как самого двигателя, так и вспомогательных систем, снижение массогабаритных характеристик;

- простоту исполнения и высокую эффективность уплотнений, т.к. ротор и коленвал вращаются вокруг собственных осей, совпадающих с осью статора;

- гораздо более щадящие условия смазки, т.к. поршневая группа используется исключительно как воздушный компрессор, закачивающий воздух в камеру сгорания;

- снижение шумности работы двигателя.

Схема двигателя, содержащая, по меньшей мере, два радиально направленных поршня, расположенных диаметрально противоположно, и, по меньшей мере, две камеры сгорания с двумя полостями расширения соответственно, расположенных также диаметрально противоположно, является гораздо более предпочтительной, т.к. предоставляет широкие возможности по балансировке двигателя и уравновешиванию действующих на ротор сил. Дальнейшее описание и приведенные графические материалы будут касаться именно такой схемы двигателя.

Далее предлагаемое изобретение будет раскрыто более подробно, со ссылкой на графические материалы, на которых:

фиг.1-14 - принципиальное устройство предлагаемого двигателя;

фиг.15-25 - работа двигателя при полной нагрузке;

фиг.26-36 - работа двигателя при частичной нагрузке;

фиг.37-39 - принципиальная схема устройства системы впуска воздуха;

фиг.40-45 - принципиальная схема устройства системы выпуска отработанных газов.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит следующие элементы:

1 - статор, выполненный в виде корпуса;

2 - ротор, концентрично установленный внутри статора 1;

3 - коленчатый вал, концентрично установленный внутри ротора 2;

4 - цилиндр - жестко закреплен в полости ротора 2;

5 - поршень (по меньшей мере два оппозитно установленных поршня);

6 - поршневой палец;

7 - шатун;

8 - кулачок ротора 2 - жестко закреплен на роторе 2;

9 - нижний блок кулачков коленчатого вала 3 - жестко закреплен на коленчатом валу 3;

10 - верхний блок кулачков коленчатого вала 3 - может вращаться относительно коленчатого вала 3 в диапазоне от 0° до 180°;

11 - затвор;

12 - коромысло затвора 11 - жестко закреплено на затворе 11;

13 - шайба коромысла 12 затвора 11;

14 - держатель пружины 15;

15 - пружина - притягивает шайбу 13 коромысла 12 к кулачку 8 ротора 2;

16 - клапан цилиндра 4;

17 - коромысло клапана 16 - жестко закреплено на стойке 18 клапана 16;

18 - стойка клапана 16 - может свободно вращаться вокруг собственной оси;

19 - плечо стойки 18 - жестко закреплено на стойке 18 клапана 16;

20 - шайба плеча 19;

21 - пружина - стягивает плечи стоек 18 друг к другу, прижимая их к блокам кулачков 9 и 10 коленчатого вала;

22 - держатель шестерни 23 ротора 2 - жестко закреплен на роторе 2;

23 - шестерня (зубчатое колесо внутреннего зацепления) ротора 2 - жестко закреплена на роторе 2;

24 - шестерня (зубчатое колесо наружного зацепления) коленчатого вала 3 - жестко закреплена на коленчатом валу 3;

25 - блок передаточных шестерен - закреплен на нижней центрирующей планке 26 - свободно вращается вокруг собственной оси;

26 - нижняя центрирующая планка - удерживает коленчатый вал 3 и центрирует его ось по оси статора 1;

27 - верхняя центрирующая планка - центрирует ось коленчатого вала 3 по оси статора 1;

28 - центрирующие крестовины - удерживают ротор 2 и центрируют его ось по оси коленчатого вала 3 - жестко закреплены с ротором 2 и свободно вращаются вокруг коленчатого вала 3;

29 - впускное окно ротора 2 - через него воздух засасывается из атмосферы в полость ротора 2;

30 - выпускное окно статора 1 - через него происходит выпуск отработавших газов;

31 - камера сгорания;

32 - форсунка;

33 - свеча;

34 - рабочие газы;

35 - направление выпуска отработавших газов;

36 - отработавшие газы;

37 - полость расширения;

38 - направление вращения коленчатого вала 3;

39 - направление вращения ротора 2;

40 - направление вращения стоек 18 клапанов 16;

41 - направление движения воздуха;

42 - подвижная перегородка статора 1;

43 - изменяемое окно;

44 - воздух;

45 - точки перекрытия кулачка 8 ротора 2 - между ними радиус кулачка 8 имеет постоянную величину (R=const);

46 - точки перекрытия ротора 2 - между ними радиус ротора 2 имеет постоянную величину (R=const).

Рассмотрим варианты работы предлагаемого двигателя на следующих примерах.

Работа при максимальной нагрузке (см. фиг.15-25). Необходимо закачать максимальное количество воздуха в камеру сгорания; полость расширения также должна иметь максимальный объем для того, чтобы рабочие газы смогли расшириться вплоть до атмосферного давления (фиг.15).

В камере сгорания 31 происходит воспламенение топливовоздушной смеси; поршни 5 находятся в верхних мертвых точках (ВМТ); отработанные газы выходят через выпускное окно 30 статора в атмосферу; ротор 2 с цилиндрами и поршнями вращается по часовой, а коленчатый вал 3 против часовой стрелки - обеспечивается тем, что шестерня 23 ротора входит в зацепление с большей шестерней блока передаточных шестерен 25, а меньшая шестерня блока шестерен 25 входит в зацепление с шестерней 24 коленчатого вала, передаточные числа подобраны так, чтобы обеспечить одинаковую скорость вращения ротора и коленчатого вала, но в разных направлениях; угол между нижним 9 и верхним 10 блоком кулачков коленчатого вала равен 0°.

Фиг.16-19. Рабочие газы из камеры сгорания начинают давить на ротор, поворачивая его по часовой стрелке, коленчатый вал, соответственно, поворачивается против часовой стрелки; поршень начинает движение от ВМТ к НМТ; кулачки 9 и 10 коленчатого вала начинают одновременно толкать все четыре шайбы 20, поворачивая стойки 18 клапанов 16; клапаны 16 цилиндров 4 выходят из своих седел - воздух начинает засасываться в цилиндры (фиг.20).

Поршни находятся в НМТ; клапаны цилиндров садятся в седла (фиг.21-23).

Поршни начинают движение от НМТ к ВМТ, сжимая воздух в цилиндрах (фиг.24). Воздух закачивается в камеру сгорания; впрыскивается топливо форсункой; создается горючая топливовоздушная смесь (фиг.25). В камере сгорания 31 происходит воспламенение топливовоздушной смеси.

Работа при частичной нагрузке (фиг.26-36). Необходимо закачать меньшее количество воздуха в камеру сгорания, впрыснуть меньшее количество топлива, объем полости расширения также будет меньше, а соединиться с атмосферой она должна раньше.

Отличается от работы при максимальной нагрузке тем, что верхний 10 блок кулачков коленчатого вала повернут относительно нижнего 9 на некий угол. (Следует отметить, что автоматический поворот верхнего 10 блока кулачков на некий угол в зависимости от нагрузки может быть достигнут любым известным способом, что не является предметом данной заявки.) Следовательно, начало открытия клапана, контролируемого верхним блоком кулачков, будет происходить позже, чем начало открытия клапана, контролируемого нижним блоком кулачков (после начала движения поршней из ВМТ к НМТ), соответственно закрытие этих клапанов будет также происходить позже (после того, как поршни начнут двигаться от НМТ к ВМТ), выпуская некоторое количество воздуха (вплоть до всего, при угле поворота верхнего блока кулачков относительно нижнего равным 180°) обратно в полость ротора.

Если двигатель рассчитан так, что при максимальной нагрузке объем полости расширения таков, что позволяет рабочим газам расшириться до атмосферного давления и только затем соединиться с выпускным окном, то при частичной нагрузке полость расширения должна соединиться с атмосферой раньше, не допуская падения давления в полости расширения ниже атмосферного и создания обратного момента, тормозящего двигатель. Для решения этой задачи, в частности, предлагается использовать подвижные перегородки статора, скошенные снизу (фиг.40-45). При перемещении их вдоль оси двигателя вверх или вниз происходит регулируемое изменение проходного сечения выпускного окна 43, через которое также происходит соединение полости расширения с атмосферой раньше (фиг.45) либо позже (фиг.44). Привод и управление перемещением подвижных перегородок в зависимости от нагрузки могут быть выполнены любым известным способом, что не является предметом данной заявки.

Профиль ротора 2, кулачка 8 ротора 2, затвор 11, коромысло 12 затвора 11, шайба 13 коромысла 12 затвора 11 рассчитываются как единый кулачковый механизм, поэтому кромка затвора описывает профиль ротора, не касаясь его.

Таким образом, предлагаемая конструкция и компоновка заявляемого роторного двигателя внутреннего сгорания позволяют добиться улучшения технических показателей, увеличения КПД, снижения массогабаритных характеристик, упрощения конструкции двигателя и его вспомогательных систем. Появляется возможность создания экологически чистого двигателя, работающего на обедненных смесях воздуха и топлива, в качестве которого может служить бензин с любым октановым числом, дизтопливо, нефть, смесь нефти с бензином или газ.