Результат интеллектуальной деятельности: РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, а именно к двигателям турбокомпрессорного типа.

Предложенный роторно-поршневой двигатель обладает свойствами газовой турбины, так как снабжен компрессором, камерой сгорания и турбиной, а по принципу действия является поршневым двигателем внутреннего сгорания с четырьмя тактами работы: впуском, сжатием, рабочим ходом и выпуском.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся первый и второй роторы, выполненные в виде параллельных закрепленных на валу дисков, в одном из которых, первом, с большим диаметром, выполнен радиальный паз с глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности этого диска. Между роторами расположена камера сгорания, выполненная в виде соосных внешнего, среднего и внутреннего цилиндров, установленных друг в друге. Внешний цилиндр разделен плоскостью, проходящей через оси вала роторов и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых, являющийся корпусом камеры сгорания, жестко закреплен в корпусе двигателя, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска с большим диаметром с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию радиального паза диска. Средний цилиндр и имеющий возможность вращения внутренний цилиндр снабжены окнами для впуска в камеру сгорания рабочей смеси и перепускными окнами для выпуска горящей рабочей смеси. Диск с меньшим диаметром снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом и подпружиненной заслонкой. Свеча зажигания установлена в днище внутреннего цилиндра, обращенном в сторону второго ротора меньшего диаметра. В данном роторно-поршневом двигателе осуществляется сжатие топлива в первом роторе, одновременно - перемещение рабочей смеси в камеру сгорания, где смесь и сгорает. Тепловая энергия передается на второй ротор, где и превращается в механическую (см. патент RU 2193676 С2, МПК⁷ F02B 53/08).

Основным недостатком этого двигателя является невысокая долговечность вследствие сложности с обеспечением длительной работоспособности элементов камеры сгорания, поскольку ее внутренний цилиндр, подверженный влиянию высоких температур, выполнен вращающимся.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя закреплены вращающиеся первый ротор, выполняющий функцию ротора компрессора, и второй ротор, выполняющий функцию ротора турбины, выполненные в виде дисков, в одном из которых, выполняющем функцию ротора компрессора, с большим диаметром, выполнен радиальный паз глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности этого диска, расположенной между роторами камерой сгорания с корпусом, жестко закрепленным в корпусе двигателя, окнами для впуска рабочей смеси и выпускными окнами для выпуска горящей рабочей смеси, полуцилиндром-заслонкой, выполняющим функцию поршня, размещенным в радиальном пазу диска с большим диаметром с возможностью перемещения относительно корпуса камеры сгорания до прилегания наклонного днища полуцилиндра-заслонки к основанию радиального паза, свечой зажигания. Диск с меньшим диаметром, выполняющий функцию ротора турбины, снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом двигателя и подпружиненной заслонкой. Корпус камеры сгорания выполнен в виде цилиндра, внутри которого расположен вал, имеющий возможность вращения в корпусе камеры сгорания. На одном конце вала в области диска с большим диаметром жестко закреплен газораспределительный диск с окном для впуска рабочей смеси, имеющий возможность совмещения с окном для впуска рабочей смеси, выполненным в корпусе камеры сгорания, а на противоположном конце вала жестко закреплен внутренний газораспределительный стакан, взаимодействующий с камерой сгорания, с выпускным окном для горящей рабочей смеси, обращенным к торцевой поверхности диска с меньшим диаметром и имеющим возможность совмещения с выпускным окном для горящей смеси, выполненным в корпусе камеры сгорания. Свеча зажигания установлена в корпусе камеры сгорания в области газораспределительного диска. В данном роторно-поршневом двигателе сжатие топливовоздушной смеси осуществляется в первом роторе с большим диаметром, выполняющем функцию ротора компрессора, с одновременным ее перемещением в камеру сгорания, где смесь и воспламеняется и затем переходит во второй ротор с меньшим диаметром, выполняющий функцию ротора турбины. Тепловая энергия передается на ротор, выполняющий функцию ротора турбины, где и превращается в механическую (см. патент РФ №2271457 С1, МПК 7 F02B 53/08).

Однако в качестве недостатков вышеуказанного двигателя можно отметить следующее:

- повышенная трудоемкость изготовления, обусловленная сложностью изготовления обоих роторов, поскольку они имеют не цилиндрическую конфигурацию: в роторе, выполняющем функцию ротора компрессора, выполнен радиальный паз переменной глубины, а ротор, выполняющий функцию турбины, снабжен выступом;

- сложность обеспечения герметичности, так как внутри камеры сгорания расположен вращающийся вал;

- недостаточная рациональность конструкции в термодинамическом отношении, так как камера сгорания, хотя и выполнена цилиндрической, но имеет препятствие для пропускания газов в виде вращающегося вала, проходящего сквозь всю камеру сгорания.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения трудоемкости изготовления двигателя путем выполнения основных его элементов цилиндрической формы, улучшения герметичности и рациональности конструкции в термодинамическом отношении.

Поставленная задача решается тем, что роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающиеся первый ротор, выполняющий функцию ротора компрессора, выполненный в виде диска, и второй ротор, выполняющий функцию ротора турбины, расположенную между роторами камеру сгорания, имеющую корпус, выполненный в виде цилиндра и жестко закрепленный в корпусе двигателя, с окном для впуска рабочей смеси и выпускным окном для горящей рабочей смеси, газораспределительный стакан, взаимодействующий с камерой сгорания, свечу зажигания, установленную в корпусе камеры сгорания, согласно изобретению снабжен являющимся частью корпуса двигателя рабочим кольцом, ширина которого равна ширине первого ротора, с цилиндрическими внутренней и внешней поверхностями, оси которых смещены в противоположных направлениях относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, внешней и внутренней боковыми щеками, между которыми внутри рабочего кольца встроен первый ротор, подпружиненной рабочей заслонкой, размещенной в сквозном радиальном прямоугольном пазу первого ротора, образованном от оси вращения вала двигателя до наружной поверхности этого ротора по ширине последнего, с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазу и прилегания ее торца к внутренней цилиндрической поверхности рабочего кольца. Второй ротор выполнен в виде стакана с жестко закрепленным на валу двигателя днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине первого ротора, на боковой поверхности стакана над камерой сгорания, корпус которой размещен в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца. Двигатель также снабжен Г-образной подпружиненной рабочей заслонкой, установленной в утолщении второго ротора с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в утолщении второго ротора на одном конце заслонки по направлению вращения роторов впереди второго конца заслонки, и прилегания другим концом к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца, Г-образной подпружиненной уплотняющей пластиной, установленной в рабочем кольце в области камеры сгорания с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в рабочем кольце по направлению движения роторов позади ее граней, и прилегания гранью к цилиндрической внешней поверхности первого ротора, Г-образной подпружиненной уплотняющей пластиной, установленной в рабочем кольце в области камеры сгорания с возможностью возвратно-вращательного движения вокруг своей оси, закрепленной в рабочем кольце по направлению движения роторов впереди ее граней, и прилегания гранью к внутренней поверхности утолщения второго ротора. При этом газораспределительный стакан, имеющий жестко прикрепленный к его днищу вращающийся вал, связанный с валом двигателя, встроен между корпусом камеры сгорания и рабочим кольцом и оборудован перепускным окном, конфигурация которого аналогична конфигурациям окна корпуса камеры сгорания для впуска рабочей смеси, выпускного окна корпуса камеры сгорания для горящей рабочей смеси, окна в рабочем кольце для впуска рабочей смеси и выпускного окна в рабочем кольце для горящей рабочей смеси, причем перепускное окно установлено с возможностью совмещения с назваными окнами, а рабочие полости двигателя образованы боковыми щеками, рабочим кольцом и роторами.

Улучшение герметичности конструкции обусловлено выполнением камеры сгорания полой вследствие размещения газораспределительного стакана, имеющего жестко прикрепленный к его днищу вал, между корпусом камеры сгорания и рабочим кольцом, причем этот вал через редуктор приводится во вращение от вала двигателя.

Улучшение рациональности конструкции двигателя в термодинамическом отношении обусловлено тем, что камера сгорания выполнена полой при отсутствии препятствий для прохождения газов, неподвижной и расположена в непосредственной близости от рубашки охлаждения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - разрез по линии А-А фиг.1; на фиг.3 - разрез по линии Б-Б фиг.2; на фиг.4 - увеличенный вид камеры сгорания.

Основой предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания являются два ротора, первый 1 и второй 2, расположенных параллельно, закрепленных на валу 3 двигателя на фиксированном расстоянии друг от друга и вращающихся вместе с валом 3 в корпусе 4 двигателя (см. фиг.1). Ротор 1, выполняющий функцию ротора компрессора, выполнен в виде круглого диска и встроен в рабочее кольцо 5 с возможностью вращения внутри последнего.

Рабочее кольцо 5, являющееся частью корпуса 4 двигателя, имеет две рабочие цилиндрические поверхности, а именно внутреннюю, обращенную в сторону ротора 1, и внешнюю, обращенную в сторону ротора 2. Оси цилиндрических внутренней и внешней поверхностей рабочего кольца 5 смещены в противоположных направлениях относительно оси вращения вала 3 двигателя на величину ΔН, не позволяющую поверхностям рабочего кольца 5 пересекаться (см. фиг.2). Ширина рабочего кольца 5 равна ширине ротора 1.

В роторе 1 выполнен сквозной радиальный прямоугольный паз 6, образованный от оси вращения вала 3 двигателя до наружной поверхности ротора 1 по ширине последнего.

В пазу 6 размещена рабочая заслонка 7, снабженная пружиной 8 и имеющая возможность возвратно-поступательного перемещения внутри этого паза. Торец заслонки 7 под действием пружин 8 имеет возможность плотного прилегания к цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца 5.

Ротор 2, выполняющий функцию ротора турбины, выполнен в виде стакана, днище которого жестко закреплено на валу 3 двигателя (см. фиг.1). На боковой поверхности стакана выполнено в направлении оси вращения вала 3 диаметральное утолщение по ширине, равной ширине ротора 1. Это утолщение расположено над цилиндрической внешней поверхностью рабочего кольца 5. В утолщении ротора 2 установлена Г-образная рабочая заслонка 9, имеющая возможность возвратно-вращательного движения вокруг своей оси 10 (см. фиг.2). Ось 10 закреплена в утолщении ротора 2 на одном конце Г-образной рабочей заслонки 9 по направлению вращения роторов 1 и 2 впереди второго конца этой заслонки. Торец второго конца заслонки 9 установлен с возможностью плотного прилегания к цилиндрической внешней поверхности рабочего кольца 5 посредством пружины 11. Заслонка 9 расположена таким образом, что ее ось 10 находится справа от ее второго конца со стороны ротора 1.

В рабочем кольце 5, в месте наибольшей высоты кольца, то есть в его наиболее широкой части, имеется отверстие, предназначенное для установки камеры сгорания 12. Ротор 1, утолщение ротора 2 и рабочее кольцо 5 расположены между двумя рабочими боковыми щеками: внешней 13 и внутренней 14, стянутыми болтами 15, и являющимися вместе с рабочим кольцом 5 основой корпуса 4 двигателя (см. фиг.1). В этих щеках 13 и 14 на подшипниках 16 установлен вал 3 двигателя. Таким образом, ротор 1, встроенный внутри рабочего кольца 5 между внешней 13 и внутренней 14 боковыми щеками, имеет возможность вращения в полости, образованной цилиндрической внутренней поверхностью рабочего кольца 5 и внешней 13 и внутренней 14 боковыми щеками; ротор 2 с утолщением, расположенным над камерой сгорания 12, имеет возможность вращения в полости, образованной цилиндрической внешней поверхностью рабочего кольца 5 и внешней 13 и внутренней 14 боковыми щеками.

Камера сгорания 12, расположенная между роторами 1 и 2, снабжена корпусом 17, выполненным в виде цилиндра и размещенным в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца 5 (см. фиг.3). На боковой поверхности корпуса 17 расположены окно 18 для впуска рабочей смеси и выпускное окно 19 для горящей рабочей смеси, имеющие прямоугольную форму. Корпус 17 жестко закреплен в корпусе 4 двигателя, то есть в наружной щеке 13, посредством крышки 20. В торце камеры сгорания 12, в центре крышки 20, имеется отверстие 21 для свечи зажигания 22 (см. фиг.1, 3).

Между отверстием в рабочем кольце 5, предназначенным для установки камеры сгорания 12, и наружной поверхностью корпуса 17 встроен газораспределительный стакан 23 механизма газораспределения (см. фиг.3). К днищу стакана 23 со стороны ротора 2 жестко прикреплен вал 24, проходящий в отверстие внутренней 14 боковой щеки. Вал 24 вместе со стаканом 23 имеет возможность вращения посредством механического редуктора 25 от вала 3 двигателя (см. фиг.1, 3).

Боковая поверхность газораспределительного стакана 23 оборудована перепускным окном 26 механизма газораспределения, имеющим возможность совмещения с окном 18 для впуска рабочей смеси и с окном 27 в рабочем кольце 5 для впуска рабочей смеси, обращенным в сторону ротора 1, а также с выпускным окном 19 для горящей рабочей смеси и с выпускным окном 28 в рабочем кольце 5 для горящей рабочей смеси, обращенным в сторону ротора 2 (см. фиг.3). Окна 18, 19, 26, 27 и 28 выполнены прямоугольной формы, то есть конфигурации этих окон совпадают, что позволяет им совмещаться друг с другом для перепуска рабочей смеси и горящих газов согласно фазам газораспределения.

Для уплотнения рабочих объемов в рабочем кольце 5 в области камеры сгорания 12 установлены две Г-образные уплотняющие пластины: уплотняющая пластина 29 ротора 1 и уплотняющая пластина 30 ротора 2 (см. фиг.4). Обе пластины имеют возможность возвратно-вращательного движения вокруг своих осей, расположенных на одном конце каждой пластины. Оси уплотняющих пластин 29 и 30 расположены слева от их вторых концов со стороны свечи зажигания 22. Ось пластины 29 закреплена в рабочем кольце 5 по направлению движения роторов позади граней этой пластины. Ось пластины 30 закреплена в рабочем кольце 5 по направлению движения роторов впереди граней этой пластины. Пластина 29 установлена с возможностью плотного прилегания посредством пружины своей гранью к цилиндрической внешней поверхности ротора 1, а пластина 30 установлена с возможностью плотного прилегания посредством пружины своей гранью к внутренней поверхности утолщения ротора 2.

Выпускное окно 28 в рабочем кольце 5 для горящей смеси, предназначенное для выпуска из камеры сгорания горящей смеси, сдержит несколько расположенных друг за другом окон, последовательно включающихся в работу по мере открывания перепускного окна 26 механизма газораспределения.

Рабочие полости двигателя образованы боковыми щеками 13 и 14, рабочим кольцом 5 и роторами 1 и 2 (см. фиг.1).

Рабочая камера ротора 1, образованная наружной поверхностью ротора 1, цилиндрической внутренней поверхностью рабочего кольца 5 и боковыми щеками 13 и 14, разделена рабочей заслонкой 7 и уплотняющей пластиной 29 на камеру впуска 31 и камеру предварительного сжатия 32 (см. фиг.1, 4).

Рабочая камера ротора 2, образованная наружной цилиндрической поверхностью рабочего кольца 5, цилиндрической внутренней поверхностью утолщения ротора 2 и боковыми щеками 13 и 14, разделена Г-образной заслонкой 9 и уплотняющей пластиной 30 на камеру рабочего хода 33 и камеру выхлопа 34 (см. фиг. 4). Внутри рабочего кольца 5 образованы полости 35 для рубашки системы охлаждения (см. фиг. 2).

Во внешней боковой щеке 13 выполнены канал 36, предназначенный для соединения камеры впуска 31 с впускным трактом системы впуска рабочей смеси, и канал 37, предназначенный для соединения рабочей полости камеры выхлопа 34 с атмосферой (см. фиг. 1, 4).

Положение заслонки 7, когда она находится на наименьшем расстоянии от камеры сгорания 12, принимается за начало работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. фиг. 2).

Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено:

- стрелками на фиг. 2 - направление вращения роторов 1, 2;

- пунктирными линиями на фиг. 4 - канал, предназначенный для соединения камеры впуска с впускным трактом системы впуска рабочей смеси, и канал, предназначенный для соединения рабочей полости камеры выхлопа с атмосферой;

- стрелками на фиг. 4 - направление движения рабочей и отработавшей соответственно смесей.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

За начало отсчёта принимаем положение ротора 1, когда его рабочая заслонка 7 расположена по центру камеры сгорания 12 в наименьшем расстоянии от неё (см. фиг. 2). Вращение роторов 1, 2 происходит по часовой стрелке со стороны свечи зажигания 22 (см. фиг. 1). Двигатель работает на жидком или газообразном топливе и имеет стандартную систему питания.

Рассмотрим первоначально полный рабочий цикл двигателя от такта впуска до такта выпуска, происходящий с одним зарядом рабочей смеси.

1 такт - впуск - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 0° до 360°. При вращении ротора 1 за рабочей заслонкой 7 создаётся разрежение, и рабочая смесь, состоящая из паров топлива и воздуха (при карбюраторной системе питания), по каналу 36 поступает в камеру впуска 31 (см. фиг.2, 4).

2 такт - сжатие - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 700-710° и заканчивается тогда, когда заслонка 7 подойдет вплотную к впускному окну 27. В этот момент газораспределительным стаканом 23 перекрывается окно 27 в рабочем кольце, соединяющее камеру предварительного сжатия 32 с камерой сгорания 12. На угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 520-540° (в зависимости от установки фаз газораспределения) рабочая смесь предварительно сжимается в камере предварительного сжатия 32, пока окна 26 и 27 не начнут совмещаться. После начала совмещения окон 26 и 27 предварительно сжатая рабочая смесь начнет поступать в камеру сгорания 12, где и будет происходить дальнейшее ее сжатие вплоть до 700-710° поворота вала 3 двигателя, то есть до момента перекрытия газораспределительным стаканом 23 окна 27. В этот момент почти вся рабочая смесь окажется в сжатом состоянии в камере сгорания 12.

3 такт - рабочий ход - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 720° до 1080°. При этом при угле поворота вала 3 двигателя, равном 700° ± угол опережения зажигания, происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 12 за счет проскакивания искры в свече зажигания 22. В этот же момент начинают совмещаться перепускное окно 26 газораспределительного стакана 23 с выпускным окном 19 корпуса 17 камеры сгорания и выпускным окном 28 (см. фиг.3, 4). Через образовавшуюся и постоянно увеличивающуюся за счет вращения газораспределительного стакана 23 щель горящая рабочая смесь устремляется в камеру рабочего хода 33 (см. фиг.2, 3).

За счет горения рабочей смеси создается высокое давление, которое воздействует на Г-образную заслонку 9 ротора 2, заставляя ротор 2 вращаться и создавать крутящий момент на валу 3 двигателя.

4 такт - выпуск - происходит при вращении вала 3 двигателя от 1080° до 1440°. При этом отработавшие газы из камеры выхлопа 34 по каналу 37 выпускаются в атмосферу.

Таким образом, при угле поворота вала 3 двигателя, равном 1440°, заканчивается процесс выпуска, а следовательно, заканчивается полный рабочий цикл, происшедший в данном роторно-поршневом двигателе с одним зарядом рабочей смеси.

При постоянной работе двигателя происходит следующее. При вращении роторов от 0° до 360° в рабочей полости ротора 1 (см. фиг.2, 4) происходит одновременно сжатие (камера предварительного сжатия 32) и впуск рабочей смеси (камера впуска 31), а в рабочей полости ротора 2 происходит одновременно рабочий ход (камера рабочего хода 33) и выхлоп (камера выхлопа 34). Таким образом, полный цикл совершается на угле поворота вала 3 двигателя, равном 360°.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение технологичности основных элементов двигателя, таких как роторы, рабочее кольцо, камера сгорания, за счет решения проблемы перехода от поверхностей сложной формы к простым цилиндрическим поверхностям (у ротора, выполняющего функцию ротора компрессора, - наружной его поверхности, у рабочего кольца - внутренней и внешней поверхностей, у ротора, выполняющего функцию ротора турбины, - внутренней поверхности), улучшается рациональность в термодинамическом отношении формы камеры сгорания и повышается герметичность за счет выполнения камеры сгорания полой.