РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTOR INNER COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано везде, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
В современном двигателестроении роторные ДВС разделяются на роторно-поршневые, роторно-лопастные и собственно роторные двигатели. Роторно-поршневые содержат поршни и цилиндры, соединенные в единый блок в виде звезды или в виде барабана. В роторно-лопастных ДВС основными рабочими элементами являются лопасти, которые делят цилиндрическую полость корпуса на четыре переменного объема полости. Для осуществления в них термодинамических процессов лопасти должны совершать сложные движения. Более простую конструкцию имеют собственно роторные ДВС, в которых переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов образуются рабочими поверхностями корпуса и ротора. Такие двигатели имеют сложную форму либо корпуса, либо ротора. Основными недостатками известных роторно-поршневых и собственно роторных двигателей внутреннего сгорания являются небольшой ресурс их работы вследствие быстрого износа рабочих поверхностей, что обусловлено большими относительными скоростями их перемещения и большими центробежными силами, действующими на рабочие элементы двигателя, сложная форма рабочей поверхности ротора или статора.
Основными недостатками роторно-лопастных ДВС является сложная система управления движением лопастей и их ненадежность в работе.
Известен роторный ДВС Ванкеля (Гуськов «Необычные двигатели» М.: Знание, 1971 (1)), содержащий статор с криволинейной рабочей поверхностью и вращающийся в ней эксцентрично овальный треугольной формы ротор, недостатком которого является ненадежность в работе из-за изменения радиуса кривизны рабочей поверхности статора и поэтому невозможного получения контакта ротора со статором по поверхности, большая скорость движения уплотнительных элементов в местах контакта ротора со статором, что приводит к быстрому износу трущихся поверхностей и к высоким требованиям к смазочным материалам, большой расход топлива и смазочных материалов.
Известен роторный ДВС (патент RU 2084659 C1, F02B 53/00, 1997 (2)), содержащий статор с цилиндрической рабочей поверхностью, имеющий перегородки, контактирующие с поверхностью ротора цилиндрической формы одного радиуса со статором и имеющего срезы большего радиуса с противоположных сторон с образованием объемов сжатия и рабочих объемов. Недостатком указанного ДВС является сложность осуществления герметичного контакта разделительных пластин с поверхностью ротора из-за изменяющейся кривизны его поверхности, большая относительная скорость движения контактирующих поверхностей, большие изгибающие моменты и высокие температуры, действующие на разделительные пластины при затруднительном отводе от них тепла.
Известен роторный ДВС (патент RU 2133845 C1, F02B 53/00, 1999 (3)), содержащий статор с цилиндрической рабочей поверхностью, имеющий перегородки, контактирующие с поверхностью ротора цилиндрической формы одного радиуса со статором и имеющего срезы с противоположных сторон большего радиуса, что делает ротор эллипсной формы с образованием объемов сжатия и рабочих объемов, между которыми расположена обособленная камера сгорания с переключающими заслонками.
Недостатком этого двигателя является сложность осуществления герметичного контакта разделительной пластины с поверхностью ротора из-за изменяющейся кривизны его поверхности, большая относительная скорость движения контактирующих поверхностей, большие изгибающие моменты и высокие температуры, действующие на них при затруднительном отводе тепла.
Наиболее близким техническим решением по сущности и достигаемому техническому результату является двигатель (патент RU 2056511 C1, F02B 53/00, 1996 (5)), содержащий два блока, размещенных в одном корпусе. Блок содержит корпус, два цилиндрических ротора-поршня с жестко соединенными заслонками, центральный цилиндрический шарнир с пазом, два периферийных шарнира с пазами, в которых перемещаются заслонки, шарнирно соединенные с роторами, два эксцентриковых вала с балансирами и промежуточный вал, на которые насажены согласующие шестерни внешнего зацепления. В корпусе симметрично центральному шарниру размещены две идентичные цилиндрические полости (цилиндры), в которых обкатываются со скольжением роторы-поршни, заслонки которых входят в паз центрального шарнира, две камеры сгорания, два гнезда периферийных шарниров и две смесительные камеры. Центральный шарнир снабжен каналами, через которые камеры сгорания своевременно сообщаются с камерами наддува-сжатия и расширения-выпуска, разделенными заслонками, а заслонки, шарнирно соединенные с роторами, снабжены каналами, регулирующими поступление смеси из смесительных камер в камеры наддува-сжатия. Каждая камера сгорания в процессе сжатия горючей смеси сообщается с камерой наддува-сжатия одного цилиндра, а в процессе расширения газов - с камерой расширения-выпуска другого цилиндра. При вращении валов роторы-поршни совместно со своими заслонками разделяют полости корпуса на отсеки переменного объема, в которых протекают термодинамические процессы, обеспечивающие работу двигателя.
Недостатком этого двигателя является сложность конструкции: наличие периферийных шарниров с перемещающимися в них линейными перегородками с пазами для перепуска, смесительных камер и камер наддува сложного центрального шарнира, уплотнительных пружин и др., что делает его малонадежным в работе и сложным в изготовлении.
Целью данного изобретения является создание роторного двигателя внутреннего сгорания, лишенного основных недостатков прототипа: обеспечить контакт между ротором и статором по поверхности при снижении относительной скорости перемещения контактирующих элементов в зоне высоких температур в несколько раз, создать более надежную и простую конструкцию, соединяющую ротор со статором для образования камер с изменяющимся объемом, с возможностью жидкостного охлаждения деталей, работающих в тяжелом температурном режиме, и смазки под давлением деталей, работающих с трением скольжения.
Поставленная цель достигается тем, что в роторном ДВС разделительные перегородки, состоящие из пластин с пазами и имеющие относительное перемещение, заменены перегородкой, шарнирно соединяющей статор с ротором, состоящим из эксцентрикового вала, заключенного в цилиндрическую оболочку, перекатывающуюся по рабочей поверхности статора с минимальным давлением и малой скоростью проскальзывания (трения), образуя герметичные камеры с изменяющимся объемом, что используется для получения избыточного давления, то есть как компрессор, во втором случае как движитель-механизм преобразования давления во вращение основного вала (маховика), между компрессором и механизмом преобразования расположена обособленная камера сгорания цилиндрической формы с механически изменяющимся объемом (степенью сжатия) за счет перемещения в нем поршня и содержит золотник, перекрывающий вход и выход в камере сгорания в соответствии с тактом работы двигателя.
Сравнения заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники - патентами роторных двигателей (2), (3), (патент RU 2137932 C1, F02B 53/00, 1999 (4)), (5) не позволили выявить в них признаки, сходные с существенными отличительными признаками в заявляемом роторном ДВС критерию «существенные отличия».
На фиг.1 изображен поперечный разрез роторного двигателя, содержащего корпус 1 с двумя рабочими поверхностями, в каждую из которых помещен ротор, представляющий собой эксцентриковый вал 2, помещенный в цилиндрическую оболочку 3, соединенный шарнирно с поверхностью статора перегородкой 4. Одна часть корпуса с ротором и перегородкой является компрессором, вторая движителем-механизмом преобразования энергии газа под давлением в крутящий момент на валу двигателя, между компрессором и движителем помещена камера сгорания цилиндрической формы 5 с золотником 6, свечой зажигания 7 и форсункой непосредственного впрыска высокого давления 8. Корпус 1, сферическая оболочка 3 и перегородка 4 имеют каналы 9 для жидкостного охлаждения и каналы для смазки под давлением (не показаны). На фиг.2 изображен продольный разрез камеры сгорания с поршнем 10.
Работа двигателя осуществляется следующим образом. На ротор компрессора подается крутящий момент с определенным числом оборотов, что приводит к всасыванию воздуха, затем к его сжатию и подаче в камеру сгорания при открытом золотнике таким образом, что камера сгорания кратковременно продувается, затем золотник поворачивается так, что продувка прекращается и происходит заполнение ее сжатым воздухом, дальнейший поворот золотника делает камеру сгорания полностью отключенной, производится впрыск топлива форсункой высокого давления непосредственного впрыска и его воспламенение, давление повышается до максимального значения, что соответствует положению золотника на выход газов в пространство между ротором и перегородкой механизма преобразования давления газов в крутящий момент (движителя), после того как газ под давлением провернет ротор на угол, близкий к 360°, отработавшие газы вытолкнутся в отводящий трубопровод.
Использование заявляемого изобретения позволит за счет конструктивных особенностей значительно упростить конструкцию и увеличить надежность роторного двигателя. Конструкция перегородки позволяет осуществить жидкостное охлаждение деталей, подверженных воздействию высоких температур, и смазку под давлением деталей, подверженных трению скольжения со значительными действующими на них нагрузками.