Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания
ROTARY PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Предложенный роторно-поршневой двигатель обладает свойством 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.
7
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых установлены вращающиеся ротор компрессора и ротор турбины, выполненные в виде параллельных закрепленных на валу дисков, в одном из которых, в роторе компрессора, 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. Другой диск с меньшим диаметром, ротор турбины, снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом и подпружиненной рабочей заслонкой. 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. Свеча зажигания установлена в днище внутреннего цилиндра, обращенном в сторону ротора турбины. В данном роторно-поршневом двигателе осуществляется сжатие топлива в роторе компрессора, одновременно  перемещение рабочей смеси в камеру сгорания, где смесь и сгорает. Тепловая энергия передается на ротор турбины, где и превращается в механическую (патент RU 2193676 С2, МПК 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, что может привести к заклиниванию.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю и внешнюю поверхности, оси которых смещены в противоположных направлениях относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, выполненный в виде диска со сквозным радиальным прямоугольным пазом, образованным от оси вращения вала двигателя до наружной поверхности этого ротора по ширине последнего, в котором установлена подпружиненная рабочая заслонка, выполненная в виде уплотнительной пластины, с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазу ротора компрессора и прилегания ее торца к внутренней цилиндрической поверхности рабочего кольца шириной, равной ширине ротора компрессора, вращающийся ротор турбины, выполненный в виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине ротора компрессора, на боковой поверхности стакана над камерой сгорания. Камера сгорания расположена в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца с возможностью соединения с рабочими полостями компрессора и турбины через впускной и выпускной каналы соответственно. Ротор компрессора встроен между внешней и внутренней боковыми щеками внутри рабочего кольца. Газораспределительный механизм, выполненый в виде газораспределительного стакана и взаимодействующий с камерой сгорания, встроен в рабочее кольцо. К днищу газораспределительного стакана со стороны ротора турбины жестко прикреплен вал, проходящий в отверстие внутренней боковой щеки. Вал вместе с газораспределительным стаканом имеет возможность вращения посредством механического редуктора от вала двигателя. Боковая поверхность газораспределительного стакана оборудована 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. Перепускное окно установлено с возможностью совмещения с назваными окнами. В корпусе камеры сгорания установлена свеча зажигания. Рабочие полости двигателя образованы боковыми щеками, рабочим кольцом и роторами. Сжатие рабочей смеси осуществляется первоначально в роторе компрессора, с последующим ее перемещением в камеру сгорания, где смесь и воспламеняется от свечи зажигания и далее поступает в рабочую камеру ротора турбины. Тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, передается на ротор турбины, где и превращается в механическую (патент RU 2351780 С1, МПК FO2B 53/08 (2006.01), FO2B 55/14 (2006.01), FO1C 1/32 (2006.01)).
Однако в качестве недостатков вышеуказанного двигателя можно отметить следующее:
- потери мощности из-за наличия редуктора, приводящего в движение газораспределительный механизм;
- пониженные технико-экономические показатели работы двигателя вследствие сложности удержания высокого давления рабочей смеси в камере сгорания в процессе сжатия, поскольку механизм газораспределения выполнен вращающимся, а следовательно, имеет зазоры, через которые происходит утечка газов.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с повышенными мощностью и технико-экономическими показателями работы.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус двигателя с являющимся его частью рабочим кольцом, имеющим цилиндрические внутреннюю и внешнюю поверхности, рабочими камерами, образованными рабочими полостями, в которых параллельно на валу двигателя установлены вращающийся ротор компрессора, выполненный в виде диска, в пазу которого установлена подпружиненная рабочая заслонка, и вращающийся ротор турбины, выполненный в виде стакана с жестко закрепленным на валу днищем, имеющего утолщение в направлении оси вращения вала двигателя шириной, равной ширине ротора компрессора, на внутренней поверхности стакана над камерой сгорания, которая расположена в отверстии наиболее широкой части рабочего кольца с возможностью соединения с рабочими полостями компрессора и турбины через впускной и выпускной каналы соответственно, внешней и внутренней боковыми щеками, между которыми внутри рабочего кольца встроен ротор компрессора, газораспределительный механизм, взаимодействующий с камерой сгорания и встроенный в рабочее кольцо, свечу зажигания, установленную в камере сгорания, при этом ось цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца смещена относительно оси вращения вала двигателя на величину, не позволяющую этим поверхностям пересекаться, согласно излбретению ротор компрессора выполнен с утолщением по наружному диаметру с длиной окружности, равной половине длины окружности ротора компрессора с плавными переходами от одного наружного диаметра к другому наружному диаметру, причем больший наружный диаметр ротора компрессора имеет размер, не позволяющий ротору компрессора соприкасаться с внутренней поверхностью рабочего кольца, ротор турбины выполнен со ступенчатым утолщением по внутреннему диаметру с длиной окружности ступени, равной половине длины окружности ротора турбины с плавными переходами от одного внутреннего диаметра к другому внутреннему диаметру, причем меньший внутренний диаметр ротора турбины имеет размер, не позволяющий ротору турбины соприкасаться с наружной поверхностью рабочего кольца, газораспределительный механизм образован впускным и выпускным клапанами, выполненными в виде Г-образных подпружиненных пластин, встроенных в рабочее кольцо вблизи камеры сгорания, при этом впускной клапан, обращенный в сторону ротора компрессора, расположен впереди камеры сгорания по направлению вращения вала двигателя с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющем пазу, выполненном в рабочем кольце, плотного прижатия своим основанием, острие которого направлено навстречу направлению вращения ротора компрессора, к наружной поверхности ротора компрессора, и расположения этого основания, входящим при закрытии впускного канала за счет перемещения впускного клапана утолщением ротора компрессора в углубление в рабочем кольце, а выпускной клапан, обращенный в сторону ротора турбины, расположен позади камеры сгорания по направлению вращения вала двигателя с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющем пазу, выполненном в рабочем кольце, плотного прижатия своим основанием, острие которого направлено по направлению вращения ротора турбины, к внутренней поверхности ротора турбины, и расположения этого основания, входящим при закрытии выпускного канала за счет перемещения выпускного клапана утолщением ротора турбины в углубление в рабочем кольце. Камера сгорания выполнена обособленной с возможностью отъединения от рабочих полостей впускным и выпускным клапанами.
Повышение мощности предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания обусловлено повышением эффективности его работы вследствие того, что газораспределительный механизм основан на впускном и выпускном клапанах, отъединяемых при необходимости от рабочих полостей обособленной камерой сгорания, выполненных в виде Г-образных подпружиненных пластин, встроенных в рабочее кольцо вблизи камеры сгорания, что приводит к отсутствию необходимости использования редуктора.
Повышение технико-экономических показателей работы предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания обеспечивается введением впускного и выпускного клапанов газораспределительного механизма, перемещающихся возвратно-поступательно в рабочем кольце, выполняющих функции и заслонок, и впускного и выпускного клапанов, что обеспечивает упрощение конструкции газораспределительного механизма и сохранение компрессии в камере сгорания на требуемом уровне.
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 - увеличенный вид камеры сгорания, разрез по линии А-А фиг. 1.
Основой предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания являются два ротора: ротор 1 компрессора и ротор 2 турбины, расположенные параллельно, закрепленные на одном валу 3 двигателя на фиксированном расстоянии друг от друга и вращающиеся вместе с валом 3 в корпусе 4 (см. фиг. 1). Ротор 1 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. Ось цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца 5 смещена относительно оси вращения вала 3 двигателя на величину ΔH, не позволяющую внутренней поверхности рабочего кольца 5 пересекаться с наружной поверхностью ротора 1 компрессора (см. фиг. 2). Ширина рабочего кольца 5 равна ширине ротора 1 компрессора.
В роторе 1 компрессора над осью вращения вала 3 двигателя выполнен прямоугольный паз 6 протяженностью до наружной поверхности ротора 1 компрессора и шириной, равной ширине ротора 1 компрессора.
В пазу 6 размещена рабочая заслонка 7, состоящая из одной или нескольких пластин, имеющая возможность возвратно-поступательного перемещения в пазу 6. Торец заслонки 7 под действием пружин 8 имеет возможность плотного прилегания к цилиндрической внутренней поверхности рабочего кольца 5.
Ротор 1 компрессора выполнен с утолщением 9 по наружному диаметру с шириной, равной ширине ротора 1, и длиной окружности, равной половине окружности ротора 1 компрессора, и имеет плавные переходы от одного наружного диаметра к другому наружному диаметру, причем больший наружный диаметр ротора 1 компрессора имеет размер, не позволяющий ротору 1 компрессора соприкасаться с внутренней поверхностью рабочего кольца 5.
Ротор 2 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 двигателя диаметральное утолщение, расположенное над цилиндрической внешней поверхностью рабочего кольца 5 шириной, равной ширине ротора компрессора. Ротор 2 турбины выполнен со ступенчатым утолщением 10 по внутреннему диаметру с длиной окружности ступени, равной половине длины окружности ротора 2 турбины с плавными переходами от одного внутреннего диаметра к другому внутреннему диаметру, причем меньший внутренний диаметр ротора 2 турбины имеет размер, не позволяющий ротору 2 турбины соприкасаться с наружной поверхностью рабочего кольца 5 (см. фиг. 2).
В рабочем кольце 5, в месте наибольшей высоты кольца, между роторами 1 и 2 установлена камера сгорания 11 с примыкающими к ней впускным клапаном 12 и выпускным клапаном 13, образующими газораспределительный механизм. Таким образом, впускной клапан 12 и выпускной клапан 13 встроены в рабочее кольцо 5 вблизи камеры сгорания 11. Впускной клапан 12 обращен в сторону ротора 1 компрессора, а выпускной клапан 13 обращен в сторону ротора 2 турбины.
Ротор 1 компрессора, утолщение ротора 2 и рабочее кольцо 5 расположены между двумя рабочими боковыми щеками: внешней 14 и внутренней 15, стянутыми болтами 16 и являющимися вместе с рабочим кольцом 5 основой корпуса 4 двигателя (см. фиг. 1).
В этих щеках 14 и 15 на подшипниках 17 установлен вал 3 двигателя. Таким образом, ротор 1 компрессора, встроенный внутри рабочего кольца 5 между внешней 14 и внутренней 15 боковыми щеками, имеет возможность вращения в полости, образованной цилиндрической внутренней поверхностью рабочего кольца 5 и внешней 14 и внутренней 15 боковыми щеками; ротор 2 с утолщением 10, расположенным над внешней поверхностью рабочего кольца 5, имеет возможность вращения в полости, образованной цилиндрической внешней поверхностью рабочего кольца 5 и внешней 14 и внутренней 15 боковыми щеками.
Камера сгорания 11 имеет впускной канал 18 и выпускной канал 19, перекрываемые впускным клапаном 12 и выпускным клапаном 13 (см. фиг. 3). Таким образом, впускной канал 18 и выпускной канал 19 выполнены в рабочем кольце 5 и предназначенные для впуска рабочей смеси в камеру сгорания 11 и выпуска горящей рабочей смеси из камеры сгорания 11.
Впускной клапан 12 выполнен в виде Г-образной пластины с пружиной 20 и расположен впереди камеры сгорания 11 по направлению вращения вала 3 двигателя с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющем пазу 21, выполненном в рабочем кольце 5, плотного прижатия за счет пружины 20 своим основанием, острие которого направлено навстречу направлению вращения ротора 1 компрессора, к наружной поверхности ротора 1 компрессора, и расположения этого основания входящим при закрытии впускного канала 18 за счет перемещения впускного клапана 12 утолщением 9 ротора 1 компрессора в углубление в рабочем кольце 5.
Выпускной клапан 13 выполнен в виде Г-образной пластины с пружиной 22 и расположен позади камеры сгорания 11 по направлению вращения вала 3 двигателя с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющем пазу 23, выполненном в рабочем кольце 5, плотного прижатия за счет пружины 22 своим основанием, острие которого направлено по направлению вращения ротора 2 турбины, к внутренней поверхности ротора 2 турбины, и расположения этого основания входящим при закрытии выпускного канала 19 за счет перемещения выпускного клапана 13 утолщением 10 ротора 2 турбины в углубление в рабочем кольце 5.
Таким образом, в углубления в рабочем кольце 5 для клапанов 12 и 13 при перемещении последних плотно входят основания клапанов 12 и 13, закрывая впускной канал 18 и выпускной канал 19.
Впускной клапан 12 и выпускной клапан 13 имеют соответственно выступы 24 и 25 для дополнительного запирания камеры сгорания 11.
Рабочие полости двигателя образованы внешней 14 и внутренней 15 боковыми щеками, рабочим кольцом 5, ротором 1 компрессора и ротором 2 турбины (см. фиг. 1).
Камера сгорания 11 выполнена обособленной с возможностью отъединения от рабочих полостей впускным клапаном 12 и выпускным клапаном 13.
Рабочая камера ротора 1 компрессора, образованная наружной поверхностью ротора 1, цилиндрической внутренней поверхностью рабочего кольца 5, внешней 14 и внутренней 15 боковыми щеками, разделена рабочей заслонкой 7 и впускным клапаном 12 на камеру впуска 26 и камеру сжатия 27 (см. фиг. 2).
Рабочая камера ротора 2 турбины, образованная наружной цилиндрической поверхностью рабочего кольца 5, цилиндрической внутренней поверхностью утолщения ротора 2, внешней 14 и внутренней 15 боковыми щеками, разделена выпускным клапаном 13 на камеру рабочего хода 28 и камеру выпуска 29.
Во внешней 14 боковой щеке выполнены впускной канал 30, предназначенный для соединения камеры впуска 26 с впускным трактом системы впуска рабочей смеси, и выпускной канал 31, предназначенный для соединения рабочей полости камеры выпуска 29 с атмосферой (см. фиг. 2, 3). Во внешней боковой щеке 14 имеется конусообразное углубление, а в рабочем кольце 5 - отверстие для установки свечи зажигания 32.
Кроме этого на чертеже дополнительно обозначено:
- круговой линией со стрелкой на фиг. 2 - направление вращения роторов 1,2;
- зигзагообразными линиями со стрелками на фиг. 2 и 3 - направление движения рабочей смеси;
- пунктирными линиями на фиг. 3 - впускной канал, предназначенный для соединения камеры впуска с впускным трактом системы впуска рабочей смеси, и выпускной канал, предназначенный для соединения рабочей полости камеры выпуска с атмосферой.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
За начало отсчета принимаем положение ротора 1 компрессора, когда торец его рабочей заслонки 7 расположен по центру впускного канала 18 (см. фиг. 2, 3). Вращение роторов 1, 2 происходит по часовой стрелке со стороны свечи зажигания 32 (см. фиг. 1, 2). В качестве рабочей смеси используется смесь, состоящая из паров топлива и воздуха.
Рассмотрим первоначально полный рабочий цикл двигателя от такта впуска до такта выпуска, происходящий с первым зарядом рабочей смеси.
1 такт - впуск - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 0° до 360°. При вращении ротора 1 компрессора за рабочей заслонкой 7 создается разрежение, и порция рабочей смеси по каналу 30 поступает в камеру впуска 26 (см. фиг. 2, 3). В этот момент на угле поворота вала 3 двигателя от 0 до 180° впускной клапан 12 открыт, так как утолщение 9 по наружному диаметру ротора 1 не расположено под впускным клапаном 12, а на угле поворота вала 3 двигателя от 180 до 360° впускной клапан 12 закрыт, так как утолщение 9 ротора 1 компрессора располагается под впускным клапаном 12. В обоих случаях под действием пружины 20 основание впускного клапана 12 плотно прижимается к наружной поверхности ротора 1 компрессора, создавая герметичность камеры впуска 26.
2 такт - сжатие - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 700-720°. На угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 520-540° (в зависимости от угла установки фаз газораспределения) рабочая смесь предварительно сжимается в камере сжатия 27 пока не откроется впускной клапан 12, так как утолщение 9 в этот момент не располагается под впускным клапаном 12. После открытия впускного клапана 12 предварительно сжатая в камере 27 рабочая смесь поступает в камеру сгорания 11 и дальше сжимается в камере сгорания 11 вплоть до 700-720° поворота вала 3 двигателя, то есть до момента перекрытия впускным клапаном 12 впускного канала 18 за счет набегания утолщения 9 на основание впускного клапана 12. В этот момент рабочая смесь окажется в сжатом состоянии в камере сгорания 11.
3 такт - рабочий ход - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 720° до 900-920°. При этом при угле поворота вала 3 двигателя, равном 700-720°, происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 11 за счет проскакивания искры в свече зажигания 32 (см. фиг. 1). В этот момент впускной клапан 12 и выпускной клапан 13 закрыты (см. фиг. 2).
Поскольку камера сгорания 11 в этот момент не имеет связи с камерой сжатия 27 и камерой рабочего хода 28, то горение рабочей смеси может быть и детонационным, то есть иметь характер взрыва.
При достижении максимального давления в камере сгорания 11 от горения рабочей смеси или несколько раньше, происходит открытие выпускного клапана 13 за счет того, что утолщение 10 ротора 2 в это время не будет уже располагаться над выпускным клапаном 13 (см. фиг. 2, 3). При открытии выпускного клапана 13 сгоревшая рабочая смесь под большим давлением поступает в камеру рабочего хода 28 и, воздействуя на торец выступа ступени утолщения 10 ротора 2 турбины, заставляет ротор 2 вращаться и создавать крутящий момент на валу 3 двигателя.
При угле поворота вала 3 двигателя примерно от 900 до 920° происходит процесс продувки камеры сгорания 11, так как в это время открыты впускной клапан 12 и выпускной клапан 13. При угле поворота вала 3 двигателя от 920 до 1080° происходит перемещение по окружности отработавших газов с возможным одновременным выпуском их в атмосферу.
4 такт - выпуск - происходит при вращении вала 3 двигателя от 1080° до 1260÷1440°. При этом отработавшие газы из камеры выпуска 29 по выпускному каналу 31 выпускаются в атмосферу (см. фиг. 3).
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 первым зарядом рабочей смеси.
При постоянной работе двигателя происходит следующее. При вращении роторов от 0° до 360° в рабочей полости ротора 1 (см. фиг. 2, 3) происходит одновременно сжатие рабочей смеси в камере сжатия 27, а затем в камере сгорания 11 и впуск рабочей смеси в камеру впуска 26, а в рабочей полости ротора 2 происходит одновременно рабочий ход в камере рабочего хода 28 и выпуск отработавших газов из камеры выпуска 29. Таким образом, полный цикл работы двигателя совершается на угле поворота вала 3 двигателя, равном 360°.
Использование предлагаемого изобретения повышает эффективность работы двигателя за счет изменения конструкции роторов компрессора и турбины, изменения конструкции газораспределительного механизма.