РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано на транспорте, в энергетике и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Предлагаемый ДВС относится к типу роторных ДВС с цилиндрической внутренней полостью, профилированным ротором и двигающимися в корпусе лопастями.
Известен роторный ДВС (патент РФ №2196905, дата публикации 20.01.2003), содержащий корпус с цилиндрической внутренней полостью, ротор с кулачком, подвижные лопасти и камеру сгорания с механизмом газораспределения. Основным недостатком этого двигателя является необходимость в газораспределительном механизме (ГРМ). Клапаны ГРМ должны закрываться и открываться при высоком давлении в камере сгорания. Это приводит к появлению неиспользуемых (не участвующих в текущем термодинамическом цикле) объемов сжатой горючей смеси перед впускным клапаном, что снижает КПД двигателя, а также к большим нагрузкам на привод выпускного клапана. Плоские лопасти, используемые в двигателе, испытывают нагрузки от давления рабочих газов, направленные на их блокирование в пазе корпуса. Для их работы необходимо большое усилие подпружинивания, приводящее к повышенному износу ротора и снижению герметичности рабочих камер.
Известен роторный ДВС (патент РФ №2253029, дата публикации 27.05.2005), содержащий корпус с цилиндрической внутренней полостью, подвижные лопасти и ротор с кулачковыми выступами. Внутри ротора выполнена предкамера с отверстием на его торцевой стороне, а на прилегающей торцевой стороне корпуса выполнены канавки, обеспечивающие взаимодействие предкамеры с переменными внутренними объемами сжатия и расширения. В двигателе отсутствует ГРМ, однако прохождение газов в предкамеру и из нее происходит в узких каналах, что вызывает большие гидравлические потери. Увеличение пропускной способности каналов влечет за собой увеличение неиспользуемых объемов сжатой горючей смеси в них. Также этот двигатель обладает описанными выше недостатками, связанными с использованием плоских лопастей.
Прототипом предлагаемого изобретения является роторный ДВС (патент РФ №2133845, дата публикации 27.07.1999), содержащий корпус с цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему лопастей, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней рабочей поверхностью ротора. Внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно расположенных по окружности камер сгорания. Ротор содержит общий вал и установленные на нем диски, размещенные в полостях сжатия и расширения. На рабочих поверхностях дисков выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы. Диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого. Лопасти попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из лопастей пары установлена в полости сжатия, а другая - в полости расширения. Разделение внутренней полости на полости сжатия и расширения позволяет организовать газообмен в двигателе без ГРМ, а также увеличить термодинамический КПД за счет продолженного расширения рабочих газов. Основной недостаток двигателя заключается в использовании перекрывающихся перепускных каналов для соединения камер сгорания с полостями сжатия и расширения. Перекрытие канала торцевой плоскостью диска ротора означает, что на диск ротора будут действовать большие осевые усилия давления газов, которые приведут к повышенному трению противоположенной торцевой плоскости диска о корпус двигателя. Уменьшение площади поперечного сечения канала для снижения осевых усилий вызовет увеличение гидравлических потерь при прохождении газов через канал. Лопасти двигателя-прототипа должны иметь закругление контактирующих с дисками ротора поверхностей для предотвращения повреждения или быстрого износа рабочих поверхностей дисков ротора. При этом в пазах установки лопастей, вдвигающихся в полость сжатия, будут образовываться неиспользуемые объемы сжатой горючей смеси при перекрытии диском ротора перекрывающихся каналов камер сгорания. Рабочий ресурс двигателя дополнительно сокращается по причине использования плоских лопастей.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении КПД, рабочего ресурса, технологичности изготовления и ремонта, снижении вибрации и шума, упрощении согласования совместной работы с другими устройствами.
Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с полостями сжатия и расширения, имеющими цилиндрическую форму и расположенными соосно, пазами установки лопастей, камерами сгорания, каналами впуска и выпуска газов, ротор, установленный соосно с полостями сжатия и расширения, содержащий вал отбора мощности и диски с рабочими поверхностями переменного радиуса, установленные на вале отбора мощности в полостях сжатия и расширения, лопасти, контактирующие с рабочими поверхностями дисков ротора за счет подпружинивания и установленные для каждой полости сжатия и расширения по одной около каждой камеры сгорания, формы рабочих поверхностей дисков ротора выполнены таким образом, что корпус, диски ротора и лопасти образуют замкнутые рабочие камеры переменного объема и камеры всасывания входящих и вытеснения отработавших газов, камеры сгорания соединяются с полостями сжатия и расширения через цилиндрические поверхности полостей сжатия и расширения, а также со смежными пазами установки лопастей, каналы впуска и выпуска газов соединяются с полостями сжатия и расширения через торцевые поверхности полостей сжатия и расширения.
Указанный способ соединения камер сгорания, пазов установки лопастей и полостей сжатия и расширения обеспечивает отсутствие неиспользуемых объемов сжатой горючей смеси и осевых усилий на диски ротора, малые гидравлические потери при прохождении газов, позволяет уменьшить осевой габаритный размер двигателя за счет уменьшения толщин перегородок между полостями сжатия и расширения. Также существенно упрощается герметизация рабочих камер, сжатые газы в которых не контактируют с торцевыми поверхностями дисков ротора.
Соединение каналов впуска и выпуска газов с полостями сжатия и расширения через торцевые поверхности полостей сжатия и расширения дает возможность максимально использовать объемы полостей сжатия и расширения для образования замкнутых рабочих камер, а также обеспечить достаточную пропускную способность при газообмене. Перекрытие торцевыми поверхностями дисков ротора отверстий, соединяющих полости и каналы, не вызывает значительных осевых усилий на диски ротора, так как газы в каналах находятся под низким давлением.
Поставленная цель достигается также тем, что в двигателе применяются поворачивающиеся лопасти, каждая из которых содержит поворотный вал, рабочую часть с пяткой скольжения по диску ротора, рабочей (ограничивающей рабочую камеру) поверхностью, имеющей профиль постоянного от оси поворота лопасти радиуса, ребро жесткости, соединяющее поворотный вал и рабочую часть. Оси поворота всех лопастей параллельны оси вращения ротора. Лопасти обращены рабочими поверхностями к камерам сгорания, возле которых они установлены, причем оси поворота лопастей полостей сжатия находятся за соответствующими камерами сгорания по направлению вращения ротора, а оси поворота лопастей полостей расширения - перед. Такая конструкция лопастей и способ их установки в пазах корпуса предотвращают блокирование лопастей под действием сил давления рабочих газов и позволяют снизить прижимное усилие, а значит, и износ рабочих поверхностей дисков ротора.
Оснащение двигателя управляемым механизмом блокировки лопастей в положении максимального отклонения от оси вращения ротора позволит прекратить работу двигателя, но оставить возможность вращения ротора с малым сопротивлением, что упрощает согласование работы двигателя с другими устройствами, присоединенными к валу отбора мощности, например, при работе двигателя в составе гибридной силовой установки совместно с электродвигателем. Блокировка лопастей также облегчает запуск двигателя от стартерного устройства, которое может с малыми усилиями довести скорость вращения ротора до величины, необходимой для надежного запуска двигателя. Двигатель может быть вновь запущен в работу снятием блокировки лопастей.
Для увеличения КПД двигателя максимальные объемы рабочих камер в полостях расширения больше, чем максимальные объемы рабочих камер в полостях сжатия. Это также снижает шум при выпуске отработавших газов, так как снижается их давление в конце такта расширения.
Для снижения вибрации двигателя в дисках ротора выполнены балансирующие полости, форма и размеры которых обеспечивают нахождение центра масс ротора на оси вращения ротора.
Конструкция двигателя позволяет реализовать его работу по дизельному циклу, для чего необходимо установить топливные форсунки.
Устройство предлагаемого двигателя с одной полостью сжатия, одной полостью расширения и двумя камерами сгорания, работающего на топливовоздушной смеси, представлено на фиг.1-3.
Корпус двигателя разделен на секции, выполненные в виде отдельных деталей. В торцевой секции 1 выполнены каналы 16 и 17 впуска топливовоздушной смеси. Проекции каналов изображены на фиг.2 штрихпунктирными линиями. В секции сжатия 2 выполнена цилиндрическая полость сжатия, а в пазах 10 установлены лопасти 11 и 12. В разделительной секции 3 выполнены проходные отверстия, проекции которых на фиг.3 изображены штрихпунктирными линиями. В секции расширения 4 выполнена цилиндрическая полость расширения и пазы 10, с установленными в них лопастями 13 и 14. Торцевая секция 5 имеет каналы 26 и 27 выпуска отработавших газов. Секции скреплены между собой болтами 28. В корпусе установлен ротор с возможностью вращения. Ротор содержит вал отбора мощности 6, диск 7, установленный в полости сжатия, и диск 8, установленный в полости расширения. В дисках ротора выполнены балансирующие полости 9. Лопасти 11-14 контактируют с рабочими поверхностями дисков ротора за счет усилия, создаваемого пружинами 15. Камеры сгорания 20 и 21 состоят из проходных отверстий в разделительной секции 3 и соединенных с ними объемов в секциях сжатия и расширения, ограниченных корпусом, цилиндрическими поверхностями полостей сжатия и расширения и лопастями в положении максимального отклонения от оси вращения ротора. В корпусе установлены воспламеняющие элементы 22 и 23. Направление вращения ротора, а также направления движения газов обозначены стрелками.
При работе в двигателе одновременно происходит по одному процессу впуска, сжатия, расширения и выпуска газов. В этом смысле двигатель является аналогом четырехцилиндрового поршневого двигателя.
Во время работы двигателя, когда ротор занимает положение, соответствующее чертежам, через канал впуска 16 происходит впуск топливовоздушной смеси в камеру всасывания 18, объем которой увеличивается. Со стороны рабочей поверхности лопасти 11 происходит уменьшение объема камеры 19, в которой сжимается и переходит в камеру сгорания 20 топливовоздушная смесь, поступившая из канала впуска 17 на предыдущем этапе работы двигателя. В секции расширения лопасть 14 (фиг.3) находится в положении максимального отклонения от оси вращения ротора, поэтому объем в полости расширения, соединенный с камерой сгорания 20, отсутствует.
Одновременно с процессами впуска и сжатия топливовоздушной смеси происходят процессы расширения рабочих и выпуска отработавших газов в секции расширения. Рабочие газы переходят в увеличивающуюся камеру 24 из камеры сгорания 21, в которой они образовались на предыдущем этапе работы двигателя после сжатия топливовоздушной смеси и ее воспламенения от воспламеняющего элемента 23. Выпуск отработавших газов происходит через канал выпуска 26 из камеры 25, объем которой уменьшается.
Через четверть оборота ротора объем камеры всасывания 18 достигнет максимума, а соответствующий канал впуска 16 перекроется диском 7 ротора. Затем камера 18 объединится с камерой сгорания 21. Из камеры 19 вся сжатая топливовоздушная смесь перейдет в камеру сгорания 20, в которой затем будет воспламенена от воспламеняющего элемента 22. В секции расширения после максимального увеличения объема камеры 24 откроется канал выпуска 27, через который начнут выпускаться отработавшие газы, а сама камера 24 отделится от камеры сгорания 21. Отработавшие газы, находящиеся в камере 25, будут вытеснены через канал выпуска 26.
Процессы впуска, сжатия, расширения и выпуска повторяются через каждые полоборота ротора.
Аналогично работает двигатель в дизельном варианте, в котором вместо воспламеняющих элементов 22 и 23 установлены топливные форсунки, а вместо топливовоздушной смеси поступает воздух.
Все детали двигателя могут быть изготовлены или отремонтированы при помощи оборудования и способов, широко распространенных в металлообрабатывающей промышленности. Управляемый механизм блокировки лопастей в положении максимального отклонения от оси вращения ротора (не показан) может быть реализован различными способами, например снятием усилия подпружинивания лопастей или с использованием защелки.