двухсекционный роторный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

Двухсекционный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статорный блок с двумя цилиндрическими полостями, в которых размещены первый и второй роторы, установленные в полостях статора с эксцентриситетом, роторы соединены общим валом, в радиальных пазах роторов установлены лопасти, смежные лопасти первого ротора, внешняя поверхность первого ротора и внутренняя поверхность первой свободно вращающейся обоймы образуют камеры всасывания-сжатия, объем которых меняется при вращении роторов вокруг оси, в боковой стенке статорного блока, в той ее части, где при вращении первого ротора происходит увеличение объема камер всасывания-сжатия, выполнены каналы всасывания топливовоздушной смеси, смежные лопасти второго ротора, внешняя поверхность второго ротора и внутренняя поверхность второй свободно вращающейся обоймы образуют камеры сгорания, объем которых меняется при вращении роторов вокруг оси, в боковой стенке статорного блока, в той ее части, где при вращении второго ротора происходит уменьшение объема камер сгорания, выполнены каналы удаления выхлопных газов, в боковых стенках статора, ограничивающих полость второго ротора, в той части, где при вращении роторов происходит увеличение объема камер сгорания, установлены свечи зажигания, камера всасывания-сжатия первого ротора, имеющая при вращения первого ротора, минимальный объем, соединена перепускным каналом с камерой сгорания второго ротора, в той части, где при вращении роторов объем камеры сгорания еще не достиг минимального объема, отличающийся тем, что в цилиндрических полостях статора между лопастями первого и второго роторов и внутренней цилиндрической поверхностью полостей статора установлены первая и вторая свободно вращающиеся обоймы, а на концах лопастей первого и второго роторов установлены шарнирные уплотнения, причем контактирующая часть шарнирных уплотнений первого ротора и внутренняя поверхность первой свободно вращающейся обоймы имеют равную кривизну, аналогично контактирующая часть шарнирных уплотнений второго ротора и внутренняя поверхность второй свободно вращающейся обоймы имеют равную кривизну.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области двигателестроения, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в составе силовой установки авиационного, водного и наземного транспорта.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (авторское свидетельство № 1665052 F02B 53/02, Бюл. № 27, 1991 г.), содержащий роторные - нагнетательную и расширительные машины, каждая из которых имеет корпус с газораспределительными каналами, цилиндрической полостью и выемкой на ее поверхности, рабочий вал и установленный на валу ротор с рычагами-поршнями, шарнирно связанными между собой ротором и неподвижной осью, закрепленной в корпусе, причем ротор каждой машины размещен в полости корпуса эксцентрично с возможностью вращения соосно выемке корпуса с образованием в полости корпуса рабочих камер переменного объема, а выемки в корпусе обеих машин выполнены с радиусом образующей ее поверхности, равным радиусу их роторов, шарнир связи ротора и рычагов-поршней выполнен в виде установленной в роторе втулки с диаметральным отверстием, сопряженным с поршнем-рычагом, а расширительная машина имеет, по меньшей мере, одну камеру сгорания, выполненную с возможностью периодического сообщения с форсункой и через нагнетательный газораспределительный канал с нагнетательной машиной.

Недостатками известного устройства, препятствующими достижению технического результата, являются конструктивная сложность, обусловленная наличием рычагов-поршней, шарнирной связи с неподвижной осью, сложность изготовления, регулировки и настройки, значительные потери на трение между ротором и рычагами-поршнями, что снижает коэффициент полезного действия, надежность и функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель внутреннего сгорания (Пат. RU № 2260130, 7 F02B 53/08, F01C 1/332, бюл. № 26, 2005 г.), содержащий роторные - нагнетательную и расширительные секции с газораспределительными каналами и цилиндрическими полостями, рабочий вал и установленные на валу цилиндрические роторы, причем роторы размещены в полостях секций эксцентрично с образованием основных рабочих камер сгорания переменного объема, основная камера сгорания образована цилиндрической полостью корпуса, наружной поверхностью ротора и качающимися заслонками, в которых смонтированы уплотнительные пластины и шарниры, посредством последних осуществляется сопряжение с роторами, при этом каждая из камер поступательно является нагнетательной и расширительной по циклу работы, дополнительно содержит внешний эксцентрик, смонтированный на рабочем валу, который взаимодействует с роликом, установленным на оси кронштейна, который закреплен на дополнительно установленном в корпусе валу крепления качающихся заслонок, при этом регулировка зазоров между шарнирами качающихся заслонок и роторами осуществляется посредством кронштейна, регулировочного винта и рычага, а газораспределительные каналы связаны с всасывающими и выхлопными клапанами, приводимыми в действие дополнительно смонтированным в корпусе кулачковым валом, кинематически связанным с рабочим валом.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются: роторные - нагнетательная и расширительные секции с газораспределительными каналами и цилиндрическими полостями, рабочий вал и установленные на валу цилиндрические роторы, причем роторы размещены в полостях секций эксцентрично с образованием основных рабочих камер сгорания переменного объема.

Основными недостатками известного устройства являются сложность конструкции, обусловленная необходимостью принудительного управления заслонками и наличием газораспределительного механизма с кулачковым валом, необходимость точной регулировки и настройки качающихся заслонок, а также значительные потери на трение между ротором и качающимися заслонками, что снижает коэффициент полезного действия, надежность и удельную мощность двигателя.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности уплотнений в камерах двигателя, связанное с уменьшением перетечек газов из смежных камер, при одновременном уменьшении трения в уплотнениях, что в совокупности ведет к повышению удельной мощности, повышению КПД и надежности двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в двухсекционном роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статорный блок с двумя цилиндрическими полостями, в которых размещены первый и второй роторы, установленные в полостях статора с эксцентриситетом, роторы соединены общим валом, в радиальных пазах роторов установлены лопасти, смежные лопасти первого ротора, внешняя поверхность первого ротора и внутренняя поверхность первой цилиндрической полости образуют камеры всасывания-сжатия, объем которых меняется при вращения роторов вокруг оси, в боковой стенке статорного блока, в той ее части, где при вращении первого ротора происходит увеличение объема камер всасывания-сжатия, выполнены каналы всасывания топливовоздушной смеси, смежные лопасти второго ротора, внешняя поверхность второго ротора и внутренняя поверхность второй цилиндрической полости образуют камеры сгорания, объем которых меняется при вращении роторов вокруг оси, в боковой стенке статорного блока, в той ее части, где при вращении второго ротора происходит уменьшение объема камер сгорания, выполнены каналы удаления выхлопных газов, в боковых стенках статора, ограничивающих полость второго ротора, в той части, где при вращении роторов происходит увеличение объема камер сгорания, установлены свечи зажигания, камера всасывания-сжатия первого ротора, имеющая при вращения первого ротора минимальный объем, соединена перепускным каналом с камерой сгорания второго ротора, в той части, где при вращении роторов объем камеры сгорания еще не достиг минимального объема, в цилиндрических полостях статора между лопастями первого и второго роторов и внутренней цилиндрической поверхностью полостей статора установлены первая и вторая свободно вращающиеся обоймы, а на концах лопастей первого и второго роторов установлены шарнирные уплотнения, причем контактирующая часть шарнирных уплотнений первого ротора и внутренняя поверхность первой свободно вращающейся обоймы имеют равную кривизну, аналогично контактирующая часть шарнирных уплотнений второго ротора и внутренняя поверхность второй свободно вращающейся обоймы имеют равную кривизну.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема роторного двигателя внутреннего сгорания, а на фиг.2 изображена схема угловых скоростей вращающихся деталей двигателя, поясняющая уменьшение трения при введении свободно вращающейся обоймы.

Двухсекционный роторный двигатель внутреннего сгорания содержит статорный блок 1 с двумя цилиндрическими полостями, в которых размещены первый 2 и второй 3 лопастные роторы, установленные в полостях статора с эксцентриситетом, роторы соединены общим валом 4, в радиальных пазах роторов установлены лопасти 5 с шарнирными уплотнениями 6 на концах лопастей, в цилиндрических полостях статора между шарнирными уплотнениями лопастей роторов и внутренней цилиндрической поверхностью полостей статора установлены первая 7 и вторая 8 свободно вращающиеся обоймы, смежные лопасти с шарнирными уплотнениями первого ротора, внешняя поверхность первого ротора и внутренняя поверхность первой свободно вращающейся обоймы образуют камеры 9 всасывания-сжатия, объем которых меняется при вращения роторов вокруг оси, в боковой стенке статорного блока, в той ее части, где при вращении первого ротора происходит увеличение объема камер всасывания-сжатия, выполнены каналы 10 всасывания топливовоздушной смеси, смежные лопасти 5 с шарнирными уплотнениями 6 второго ротора, внешняя поверхность второго ротора и внутренняя поверхность второй свободно вращающейся обоймы 8 образуют камеры 11 сгорания, объем которых меняется при вращении роторов вокруг оси, в боковой стенке статорного блока 1, в той ее части, где при вращении второго ротора происходит уменьшение объема полостей выполнены, каналы 12 удаления выхлопных газов, в боковых стенках статора, ограничивающих полость второго ротора 3, в той части, где, при вращении роторов, происходит увеличение объема камер 11 сгорания, установлены две свечи зажигания 13, камера 9 всасывания-сжатия первого ротора, имеющая при вращения первого ротора 2 минимальный объем, соединена перепускным каналом 14 с камерой сгорания 11 второго ротора, в той части, где при вращении роторов объем камеры сгорания 11 еще не достиг минимального объема.

Двухсекционный роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При вращении по часовой стрелке вала 4 от внешнего стартового устройства (стартера) по каналам 10 происходит всасывание топливовоздушной смеси в камеры 9 всасывания-сжатия, так как объем этих камер при вращении первого лопастного ротора 2 увеличивается. Как только последняя по ходу вращения лопасть 5, замыкающая камеру 9, пройдет последний канал 10, в силу эксцентриситета первого лопастного ротора 2, объем камеры 9 начнет уменьшаться, т.е. в камере 9 будет происходить сжатие топливовоздушной смеси. При прохождении первой по ходу вращения лопасти 5 камеры 9 канала 14 топливовоздушная смесь начнет выдавливаться в камеру 11 сгорания второго лопастного ротора 3, поскольку лопастные роторы 2 и 3 связаны общим валом 4, а по каналу 14 топливовоздушная смесь попадает в камеру 11 сгорания, когда ее объем не достиг еще минимальной величины, то при вращении лопастного ротора 3 в камере 11 сгорания происходит дожатие топливовоздушной смеси, компенсирующее падение давления при соединении камеры 9 всасывания-сжатия с камерой 11 сгорания. При перемещении камеры 11 в зону увеличения ее объема к двум оппозитным свечам 13 зажигания в боковых стенках статора, ограничивающих полость второго ротора 3, подается импульс высокого напряжения, вызывающий воспламенение топливовоздушной смеси. Высокотемпературные газы, расширяясь в возрастающем объеме камеры 11 сгорания, совершают полезную работу. При дальнейшем вращении лопастного ротора 3 первая по ходу вращения лопасть 5 камеры 11 сгорания достигает каналов 12 удаления выхлопных газов, через которые они вытесняются, так как в этой зоне объем камер 11 сгорания уменьшается. При дальнейшем вращении ротора 3 камера 11 сгорания снова соединяется перепускным каналом 14 с камерой 9 всасывания-сжатия и в камеру 11 сгорания происходит нагнетание новой порции топливовоздушной смеси и цикл повторяется. Описанные процессы четырехтактного цикла двигателей внутреннего сгорания повторяются во всех шести камерах 9 всасывания-сжатия и шести камерах 11 сгорания лопастных роторов 2 и 3. Таким образом, на один оборот вала 4 приходится шесть рабочих тактов двигателя, что обеспечивает высокий крутящий момент двигателя и высокую удельную мощность.

Для роторных двигателей внутреннего сгорания существует две взаимосвязанных проблемы. Это уплотнение в зоне контакта ротора и статора и трение в этой зоне. Увеличение силы прижатия уплотнения ведет к уменьшению перетечек газов в полостях ротора, но в то же время приводит к возрастанию силы трения и износу уплотняющих элементов. В предлагаемой конструкции это противоречие разрешается введением свободно вращающихся обойм 7 и 8, а также введением шарнирных уплотнений 6. Уменьшение силы трения является следствием уменьшения относительной скорости движения шарнирного уплотнения 6 по поверхности свободно вращающейся обоймы 7 по сравнению с ситуацией, когда шарнирное уплотнение 6 двигалось бы по неподвижной внутренней цилиндрической поверхности статорного блока 1. При полностью вдвинутой в ротор 2 лопасти 5 с шарнирным уплотнением 6 линейная скорость уплотнения 6 определяется как произведение угловой скорости ротора на величину радиуса r, а при полностью выдвинутой лопасти с шарнирным уплотнением 6 его линейная скорость определяется как произведение *R (Фиг.2). Поскольку шарнирные уплотнения 6 контактируют со свободно вращающейся обоймой 7, она имеет возможность перемещаться относительно шарнирных уплотнений с разностной скоростью *(R-r) или * , где - эксцентриситет ротора. Очевидно, что разностная скорость меньше максимальной и минимальной почти на порядок, а поскольку сила трения пропорциональна квадрату скорости, то в результате сила трения уменьшается на два порядка.

Шарнирные уплотнения 6 имеют возможность поворачиваться в пазах лопастей 5, что позволяет сделать поверхность контакта уплотнения с кривизной, равной кривизне внутренней цилиндрической поверхности свободно вращающейся обоймы 7. Аналогичные процессы происходят и в секции сгорания-выхлопа, где шарнирные уплотнения 6 второго ротора 3 контактируют со свободно вращающейся обоймой 8. В результате область уплотнений камер 9 всасывания-сжатия и камер 11 сгорания имеет вид площадки, а не линии, как в двигателях аналоге и прототипе и в известном двигателе Ванкеля.

Таким образом, предлагаемое техническое решение роторного двигателя внутреннего сгорания позволяет осуществить конструкцию двигателя с минимально необходимым количеством элементов, в нем отсутствует клапанная система с механизмом управления и механизм принудительного управления положением заслонок, а введение свободно вращающихся обойм и шарнирных уплотнений с уплотняющими элементами позволяет снизить трение в уплотнениях и повысить их эффективность. Уменьшение трения и повышение эффективности уплотнений ведет к повышению КПД, удельной мощности и ресурса двигателя.