РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
Известны двигатели внутреннего сгорания, например роторно-поршневой двигатель Феликса Ванкеля (см. патент DE 1137901 В, F01C 19/04, 1962(1)).
Двигатель Ванкеля состоит из статора (наружного корпуса), внутренняя поверхность которого выполнена по эпитрохоиде с впускными и выпускными окнами для газообмена и делится расположенным в нем трехвершинным ротором на три камеры с переменным объемом. Сам ротор расположен на валу, содержащем эксцентрик и установленном на подшипниках, расположенных в боковой крышке статора и в статоре.
Статор и ротор имеют кинематическую связь, которая обеспечивается парой шестерен, одна из которых (зубчатое колесо) на роторе, а вторая (шестерня) на статоре (т.е. планетарная передача). Данная кинематическая схема позволяет обкатывать вершины ротора по эпитрохоиде статора. Двигатель Ванкеля работает следующим образом. При вращении ротора зубчатое колесо, закрепленное на нем, как бы обкатывается вокруг шестерни, закрепленной на статоре, а вершины ротора при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности статора и отсекают переменные объемы камер на статоре. За полный оборот в трех камерах меняется их объем, а его вершинами при прохождении их через впускные и выпускные окна регулируется газообмен в камерах.
В результате в каждой из камер за один оборот ротора совершается полный четырехтактный цикл, а крутящий момент получается в результате действия газовых сил через трехвершинный ротор на эксцентрик вала.
Недостатки роторно-поршневого двигателя Ванкеля следующие: сложная траектория движения ротора (вращение и огибание вершинами ротора эпитрохоиды, т.е. планетарное движение ротора) определила кинематику двигателя - с одной стороны своим зубчатым колесом ротор кинематически связан с неподвижной шестерней, а с другой кинематически связан с эксцентриковым валом. Это усложнило конструкцию кинематики двигателя, ухудшило его динамику и потребовало надежной системы уравновешивания кинематики двигателя. Эпитрохоидный контур имеет два участка с отрицательной кривизной, что ограничивает максимальные обороты (и соответственно мощность) из-за возможности потери радиальных уплотнений с эпитрохоидальной рабочей поверхностью статора.
Известен также роторно-поршневой двигатель (см. патент US 4018191 A, F02B 55/14, 1977 (2)). Двигатель содержит статор (наружный корпус), всасывающее и выхлопное отверстия на статоре для газообмена в камерах сгорания, ротор, вал, установленный на подшипниках, расположенных в боковых крышках статора, систему зажигания. В статоре отверстие выполнено сквозным, а по форме в виде эллипса и введена боковая крышка статора. В отверстие статора встроен цилиндрическим ротор, в который встроены лопатки, выполненные с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения.
При этом лопатки делят отверстие статора на камеры с переменным объемом. В статоре в первой его половине четверти (по направлению вращения ротора) выполнено всасывающее отверстие. Система зажигания (свеча) для воспламенения рабочей смеси в камере выполнена в третьей четверти статора, а выхлопное отверстие - в четвертой четверти статора. Двигатель по патенту (2) работает следующим образом. При симметричном расположении лопаток камеры в статоре относительно вертикальной оси симметрии статора камера имеет минимальный объем и очищена от рабочей смеси. После пересечения вершиной первой лопатки камеры всасывающего отверстия в статоре камера начнет всасывать в себя рабочую смесь. Всасывание рабочей смеси будет продолжаться до тех пор, пока вершина второй лопатки данной камеры не отсечет всасывающее отверстие от данной камеры. Ввиду того что отверстие статора выполнено в виде эллипса, начнется сжатие рабочей смеси в данной камере. Наибольшее сжатие рабочей смеси в камере произойдет тогда, когда первые и вторая лопатки данной камеры расположатся симметрично относительно вертикальной оси симметрии статора. После пересечения вершиной первой лопатки данной камеры отверстия со свечой и воспламенения свечой рабочей смеси в камере давление газа от сгорания рабочей смеси на рабочую площадь первой лопатки преобразуется в крутящий момент и во вращательное движение ротора. При дальнейшем вращении ротора первая лопатка начнет утопать в ротор, а объем камеры начнет уменьшаться и при пересечении первой лопаткой выхлопного отверстия отработанная рабочая смесь будет выжиматься уменьшающимся объемом камеры через выхлопное отверстие. Затем цикл повторяется. Аналогично происходит цикл и в остальных камерах.
Недостатком данного двигателя является следующее: а) ротор сборный и сложный как конструктивно, так и технологически и состоит из двух половин ротора с шейками под подшипники. Сами половинки ротора стянуты болтами друг с другом;
б) камеры двигателя не имеют герметизации, поэтому большая потеря рабочей смеси в двигателе, а отсюда и потеря мощности;
с) лопатки ротора во время вращения под действием центробежной силы будут давить на внутреннюю (рабочую) поверхность статора. И чем больше будут обороты двигателя, тем будет больше сила трения между лопатками и внутренней (рабочей) поверхностью статора. В результате на соприкасающихся поверхностях лопаток и внутренней (рабочей) поверхности статора появятся царапины и задиры, а при определенных оборотах возможно и сваривание трущихся поверхностей лопаток с внутренней (рабочей) поверхностью статора;
е) на ротор, вал и опорные подшипники вала действует пульсирующая односторонняя нагрузка от сгорания рабочей смеси в камерах последовательно на одной стороне. Ввиду вышеупомянутых недостатков данная схема двигателя в данном исполнении не получила практического применения.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU 2358125 С2, F02B 53/04, 10.06.2009 (3)). Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит статор (наружный корпус), всасывающее и выхлопное отверстия на статоре для газообмена в камерах сгорания, систему зажигания в статоре, систему герметизации, в статоре отверстие выполнено сквозным, а по форме в виде эллипса. В отверстие статора встроен цилиндрическим ротор, посаженный на неподвижную посадку на цилиндрический вал, установленный на подшипниках, расположенных в боковых крышках статора.
В цилиндрический ротор равномерно по окружности встроены лопатки, выполненные с возможностью радиального возвратно-поступательного движения. Лопатки подпружинены и содержат на осях ролики на подшипниках, имеющие кинематическую связь с поверхностью замкнутого паза, выполненного в виде эллипса в боковых крышках статора. Система зажигания (свеча) для воспламенения рабочей смеси в камере выполнена в первой половине третьей четверти статора, а во второй половине четвертой четверти выполнены последовательно друг за другом два выхлопных отверстия.
Двигатель работает следующим образом. При симметричном расположении лопаток камеры в статоре относительно вертикальной оси симметрии статора (во время вращения ротора) камера имеет минимальный объем и очищена от рабочей смеси. После пересечения первой лопаткой камеры всасывающего отверстия данная камера начнет всасывать в себя рабочую смесь. Наибольший объем всасывания рабочей смеси произойдет тогда, когда первая и вторая лопатки данной камеры расположатся симметрично относительно горизонтальной оси симметрии статора. При дальнейшем вращении ротора сначала начнет утопать в ротор первая лопатка камеры, а затем и вторая. Объем камеры начнет уменьшаться. Наибольшее сжатие рабочей смеси в камере произойдет тогда, когда первая и вторая лопатки данной камеры расположатся симметрично относительно вертикальной оси симметрии статора.
После пересечения вершиной первой лопатки данной камеры отверстия со свечой и воспламенения свечой рабочей смеси давление газов на рабочую площадь первой лопатки преобразуется в крутящий момент и во вращательное движение ротора. При этом лопатки всех камер от центробежных сил и усилия пружин у лопатки будут перемещаться вдоль радиального паза ротора и одновременно их вершины будут описывать внутреннюю (рабочую) поверхность статора с зазором в сотых долях миллиметра, так как радиальное перемещение всех лопаток ограничено двумя роликами, встроенными в каждую лопатку. Поэтому и трение вершин лопаток о внутреннюю (рабочую) поверхность минимально допустимое.
Герметичность каждой камеры обеспечивается встроенными в лопатки, боковые крышки статора и ротор элементами герметизации. При дальнейшем вращении ротора сначала первая лопатка начнет утопать в ротор, объем камеры начнет уменьшаться и при пересечении первой лопаткой первого и второго выхлопного отверстия отработанная рабочая смесь будет выжиматься уменьшающимся объемом камеры через выхлопные отверстия.
Аналогично происходит рабочий цикл в остальных камерах.
Недостатком данной схемы двигателя является следующее:
а) нераскрытые возможности мощности данной схемы двигателя;
б) пульсирующая односторонняя нагрузка на ротор, вал и на подшипники вала от сгорания рабочей смеси в камерах.
Задачей изобретения является повышение мощности данной схемы двигателя в два раза, а также исключение действия пульсирующих нагрузок на ротор, вал и опорные подшипники вала.
Задача решена следующим образом.
В известном роторно-поршневом двигателе (см. патент (3)) за один оборот ротора осуществляется в каждой камере четырехтактный цикл в следующей последовательности:
1. Всасывание;
2. Сжатие;
3. Рабочий ход;
4. Выхлоп;
а для того, чтобы увеличить мощность двигателя данной схемы в два раза и исключить пульсирующую нагрузку на ротор, вал и опорные подшипники вала, необходимо циклы сжать и уложить четырехтактный цикл в каждой камере дважды за один оборот ротора. При этом одновременно работающих камер должно быть две симметрично расположенных относительно оси вращения ротора и противорасположенных относительно друг друга.
Для этого необходимо циклы всасывания и сжатия объединить в один цикл, т.е. подать в камеры после выхлопа из них отработанной рабочей смеси сжатый до определенной величины и имеющий определенную температуру воздух со стороны другого объекта с целью очистки камер от отработанной рабочей смеси, охлаждения камер, а затем произвести заполнение и запирание камер и дожимание воздуха в камерах при симметричном расположении лопаток камер относительно вертикальной оси симметрии статора.
Тогда четырехтактный цикл будет выглядеть следующим образом:
3. Рабочий ход
4. Выхлоп
Для этого в первой половине первой и третьей четверти статора (по направлению вращения ротора) встроены форсунки для вспрыскивания рабочей смеси, а затем там же рядом встроены свечи для воспламенения рабочей смеси в камерах. Во второй половине второй и четвертой четверти выполнены выхлопные отверстия в статоре. Там же рядом с выхлопными отверстиями в статоре выполнены отверстия для подвода сжатого воздуха в камеры. С роторно-поршневым двигателем сопряжен компрессор (центробежный, осевой или комбинированный), рабочее колесо которого предназначено для нагнетания сжатого воздуха. Рабочее колесо посажено на вал-шестерню компрессора, установленную на подшипники и имеющую кинематическую связь с валом ротора двигателя. Сам компрессор через обратные клапаны с помощью воздухопроводов соединен с баллоном компрессора, а баллон компрессора воздухопроводами через воздушные электроклапаны соединен с расположенными во второй половине второй и четвертой четверти статора после выхлопных отверстий каналами для подвода воздуха в камеры ротора.
Такое конструктивное расположение на статоре выхлопных отверстий, отверстий для подвода сжатого воздуха от баллона компрессора, расположение на статоре двух форсунок и двух свечей обуславливает попарную синхронную работу двух симметричных и взаимно противорасположенных камер, где «сжатый рабочий четырехтактный цикл» в камерах длится в течение полуоборота, а затем за остальные пол-оборота ротора совершается второй их «сжатый рабочий четырехтактный цикл». Т.е. за один оборот ротора в каждой камере двигателя совершается «сжатый рабочий четырехтактный цикл» дважды. Следовательно, и мощность данной схемы двигателя увеличится в два раза по сравнению с ближайшим аналогом.
Рабочий ход в двух симметричных и противорасположенных камерах ротора относительно оси вращения ротора всегда происходит одновременно с циклическим одновременным действием на ротор, вал и опорные подшипники вала усилий от сгорания рабочей смеси в данных камерах. Действующие усилия в них равны по величине, но направлены навстречу друг другу и взаимно уравновешиваются.
Такое техническое решение позволило:
1. Повысить мощность предложенного роторно-поршневого двигателя по сравнению с известными роторно-поршневыми (двигатель Ванкеля по патенту (1), двигатель по патенту (3)) двигателями в два раза, а по сравнению с поршневым двигателем с кривошипно-шатунным механизмом в четыре раза при одном и том же суммарном литраже камер двигателя.
2. Попарная схема работы двух симметричных и взаимно противорасположенных камер двигателя исключает действие пульсирующих нагрузок от сгорания рабочей смеси в камерах двигателя на ротор, вал и опорные подшипники вала.
3. Предложенная схема двигателя позволит наращивать его мощность путем увеличения размера двигателя по диаметру и по длине.
Таким образом, роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор (наружный корпус), ротор, вал, установленный на подшипниках, расположенных в боковых крышках статора, систему зажигания, в статоре отверстие выполнено сквозным, а по форме в виде эллипса, а в отверстие статора встроен выполненный цилиндрическим ротор, в который встроены лопатки, выполненные с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения, при этом лопатки ротора делят отверстие статора на камеры с переменным объемом, система зажигания (свеча) для воспламенения рабочей смеси в камере выполнена в первой половине третьей четверти статора, при этом выполнено выхлопное отверстие во второй половине четвертой четверти статора, ротор посажен на неподвижную посадку на цилиндрический вал, лопатки подпружинены, встроены в цилиндрический ротор равномерно по окружности и содержат на осях ролики на подшипниках, ролики имеют кинематическую связь с замкнутым пазом, выполненным в виде эллипса в боковых крышках статора, герметизация камер переменного объема обеспечивается встроенными в ротор, лопатки и боковые крышки статора уплотнительными элементами, отличается тем, что в первой половине первой и третьей четверти статора (по направлению вращения ротора) встроены форсунки для вспрыскивания рабочей смеси в камеры, а затем там же рядом встроены свечи для воспламенения рабочей смеси в камерах, а во второй половине второй и четвертой четверти статора выполнены выхлопные отверстия, там же рядом с выхлопными отверстиями в статоре выполнены отверстия для подвода сжатого воздуха в камеры, роторно-поршневой двигатель включает компрессор (центробежный или осевой), рабочее колесо которого предназначено для нагнетания сжатого воздуха, рабочее колесо компрессора посажено на вал-шестерню, установленную на подшипники в компрессоре и имеющую кинематическую связь с валом ротора, сам компрессор через обратные клапаны с помощью воздухопроводов соединен с баллоном компрессора, а баллон компрессора воздухопроводами через воздушные электроклапаны соединен с отверстиями для подвода воздуха в камеры ротора.
На Фиг.1 изображен общий вид роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, а на Фиг.2 - его разрез. Двигатель состоит из статора 1 (наружного корпуса), ротора 2 (см. Фиг.2), установленного на вал 3 и зафиксированного на нем шпонкой 4 (Фиг.2). Вал 3 установлен на подшипниках 5 в боковых крышках 7, 8.
В роторе 2 (см. Фиг.1 и Фиг.2) расположены лопатки 9, выполненные с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения в роторе 2. В лопатку 9 по бокам встроены оси 10 с роликами 11 на подшипниках.
Ролики 11 лопатки 9 имеют кинематическую связь с замкнутым пазом, выполненным в виде эллипса в боковых крышках 7 и 8 статора 1.
В лопатку 9 встроены пружины 12 (см. Фиг.2), предназначенные для прижима к внутренней поверхности (рабочей поверхности) статора 1 вершиной лопатки 9 и роликов 11 лопатки 9 к внутренней поверхности замкнутого паза в боковых крышках 7 и 8.
Лопатки 9 делят внутреннюю поверхность статора 1 на камеры с переменным объемом. Боковая крышка 7 содержит крышку 13 для защиты подшипника от грязи.
В лопатки 9 (см. Фиг.1, 2) боковые крышки 7 и 8, ротор 2 встроены элементы герметизации камер (уплотнительные элементы 14), а в статоре 1 выполнены два выхлопных отверстия 15, два отверстия каналов 16 для подвода воздуха от баллона 32 компрессора к камерам. В статор 1 встроены две форсунки 17 для впрыскивания рабочей смеси в камеры и две свечи 18 (см. Фиг.2) для воспламенения рабочей смеси в камерах.
С роторно-поршневым двигателем сопряжен компрессор (центробежный осевой или комбинированный, см. Фиг.1), состоящий из корпуса 19, стенки 20, крышки 21, где на подшипниках 22 установлена вал-шестерня 23. Вал 3 ротора 2 в крышке 21 установлен на подшипник 6 и закрыт крышкой 24. На вал-шестерню 23 компрессора установлено и зафиксировано шпонкой 25 рабочее колесо 26 компрессора. Сама вал-шестерня 23 компрессора имеет кинематическую связь посредством шестерни 27, сидящей на подшипнике 28, установленном на оси, расположенной на стенке 20, с шестерней 29, установленной на валу 3 ротора 2 и зафиксированной шпонкой 30. Компрессор через обратные клапаны 31 с помощью воздухопроводов соединен с баллоном 32 компрессора, а баллон 32 компрессора соединен воздухопроводом через воздушные электроклапаны 33 с отверстиями каналов 16 в статоре 1. Сам баллон 32 компрессора содержит предохранительный клапан 34.
Принцип работы роторно-поршневого двигателя
При включенном зажигании электроклапаны 33 открываются и воздух от баллона 32 компрессора (см. Фиг.1, 2) подводится к отверстиям каналов 16 для подвода воздуха в камеры ротора 2. Известно, что в данной схеме двигателя камеры работают попарно. Назовем условно камеры первой и второй (по ходу вращения ротора). При вращении ротора 2 и одновременном пересечении первыми лопатками 9 камер выхлопных отверстий 15 произойдет выхлоп из камер отработанной рабочей смеси от предыдущего цикла. При одновременном пересечении первыми лопатками 9 первой и второй камер отверстия канала 16 (см. Фиг.2) в статоре 1 для подвода воздуха от баллона 32 компрессора воздух под давлением начнет поступать в первую и вторую камеры одновременно. Он будет их продувать, очищая камеры от отработанной рабочей смеси и одновременно их охлаждая. При пересечении вторыми лопатками 9 первой и второй камеры выхлопных отверстий 15 обе камеры начнут заполняться сжатым до определенной величины и имеющим определенную температуру воздухом, поступающим от баллона 32 компрессора. После пересечения вторыми лопатками 9 первой и второй камер отверстий каналов 16 воздух в камерах будет герметически заперт и начнет дожиматься до тех пор, пока первая и вторая лопатки камер не расположатся симметрично относительно вертикальной оси симметрии статора 1. Затем производится одновременное впрыскивание в первую и вторую камеры рабочей смеси форсунками 17 (см. Фиг.2) и воспламенение рабочей смеси свечой 18.
Начнется цикл-рабочий ход в обеих камерах. Рабочий цикл будет продолжаться до тех пор, пока первая и вторая лопатки 9 обеих камер не расположатся симметрично относительно горизонтальной оси симметрии статора 1. В результате первые лопатки обеих камер от давления на них газа от сгорающей рабочей смеси совершат двойной крутящий момент с ротором 2 и валом 3. Все это произойдет за половину оборота ротора 2. Т.е. первая камера займет место второй, а вторая - место первой. При вращении ротора 2 через вал 3, шестерню 29, шестерню 27, через вал-шестерню 23 крутящий момент от ротора 2 передается рабочему колесу 26, а рабочее колесо 26 во время своего вращения производит нагнетание сжатого воздуха через обратные клапаны 31 в баллон 32 компрессора. При дальнейшем вращении ротора 2 первые лопатки 9 первой и второй камер вновь пересекут выхлопные отверстия 15 статора и произойдет выхлоп отработанной рабочей смеси в атмосферу. При пересечении первыми лопатками 9 первой и второй камер отверстий каналов 16 в статоре воздух от баллона 32 компрессора поступит в первую и вторую камеры, продует их от отработанной рабочей смеси и охладит их. При пересечении вторыми лопатками 9 выхлопных отверстий 15 обе камеры начнут заполняться сжатым воздухом от баллона 32 компрессора. После пересечения вторыми лопатками 9 первой и второй камеры отверстий каналов 16 воздух в камерах будет герметически заперт и начнется дожимание воздуха в камерах до тех пор, пока первая и вторая лопатки первой и второй камер не расположатся симметрично относительно вертикальной оси симметрии статора. Затем производится вспрыскивание рабочей смеси одновременно в первую и вторую камеры форсунками 17 (см. Фиг2) и воспламенение рабочей смеси свечой 18. Начнется вновь цикл-рабочий ход одновременно в обеих камерах. В результате вновь первые лопатки обеих камер от давления на них газов сгорающей рабочей смеси совершат двойной крутящий момент с ротором 2 и валом 3. Первая и вторая камеры вновь совершат с ротором 2 половину оборота и вернутся каждая камера на свое место, т.е. «сжатый рабочий четырехтактный цикл» в каждой камере совершается за один оборот ротора 2 в каждой камере дважды, а ротор 2 и вал 3 дважды от каждой камеры нагружаются крутящим моментом. Аналогично будут работать попарно и остальные камеры.
Предложенный двигатель внутреннего сгорания найдет применение в автомобилестроении, авиастроении, танкостроении и в других отраслях, где потребуются подобные двигатели.