РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТИГУНЦЕВА
ROTARY PISTON ICE

Изобретение относится к двигателестроению и может использоваться на транспорте и в энергетике.
Общеизвестен двигатель внутреннего сгорания, в котором в цилиндре, являющемся в зависимости от фазы работы камерой всасывания, сжатия, расширения или выхлопа, подвижным поршнем сжимают рабочую смесь, поджигают ее искрой и под воздействием расширения продуктов горения рабочей смеси поршень перемещается, передавая усилие через шатун на вращение коленчатого вала. На этом принципе создано большинство двигателей внутреннего сгорания. В двигателе обеспечивается надежное сочленение трущихся поверхностей цилиндра и поршня с помощью компрессионных колец. Однако общим недостатком для них является наличие промежуточного кривошипно-шатунного механизма (шатун, коленчатый вал), преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала, что требует дополнительных затрат на металл и увеличивает объем, занимаемый двигателем.
Известен роторный двигатель Султанова А.З., который состоит из цилиндрического корпуса, всасывающего и отводящего патрубков, цилиндрического эксцентрикового ротора, заслонки, вала и серпообразной рабочей камеры (ж. Изобретатель и рационализатор, №12/98, с.14, патент №2016246 RU). В двигателе одна сторона эксцентрикового ротора соприкасается через компрессионное уплотнение с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, а другая с торцевой частью подпружиненной заслонки. В двигателе рабочее тело поступает во впускной патрубок, попадает в пространство между заслонкой и эксцентриковым ротором и, расширяясь, вращает ротор. В это время с другой стороны заслонки между ротором и заслонкой находится отработавшее рабочее тело, которое вытесняется в отводящий патрубок. В данном двигателе отсутствуют шатун и коленвал, геометрия корпуса очень простая (цилиндрическая внутренняя поверхность), однако существует проблема сочленения трущихся поверхностей корпуса и ротора.
Известен двигатель внутреннего сгорания (заявка RU №2001110545), у которого на валу расположены по два или более роторов рабочих камер и по два или более роторов компрессорных камер, каждый из которых выполнен в форме цилиндра с эксцентриковьм расположением на валу (например, по патенту №2016246 RU). Роторы рабочих камер, а также компрессорных камер, сдвинуты на валу относительно друг друга на угол кратный 360 деленное на количество одноименных роторов, и каждый ротор помещен внутри корпуса. Впускные и отводящие отверстия регулируются клапанами газораспределительного механизма. Впускные отверстия компрессорных камер присоединены к карбюратору, а отводящие - к камерам сгорания, к которым подведена система зажигания. Впускные отверстия рабочих камер присоединены к камерам сгорания, а отводящие отверстия к системе отвода отработанных газов.
Для повышения надежности сочленения трущихся поверхностей корпуса и поршня ротор-поршень, выполнен в форме тора со скошенным по эксцентричной окружности краем, имеющем цилиндрическую поверхность, жестко закрепленного на диске, который жестко закреплен на валу. Корпус выполнен в форме разъемного тора, соединенного резьбовыми элементами по внешней стороне тора, с обеспечением компрессионного сочленения тора ротора с половинками тора корпуса за счет компрессионных колец, установленных в наиболее удаленной от центральной оси тора корпуса части тора ротора, сочлененных с внутренней поверхностью тора корпуса. Между впускными и отводящими отверстиями каждой камеры расположены радиально подпружиненные заслонки, опирающиеся торцом на ротор. Заслонки помещены в корпус с компрессионным сочленением с ним.
Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля (И. Пятов, РПД изнутри и снаружи, ж. Двигатель, №5-6 (11-12) сентябрь-декабрь 2000 г., http://engine.aviaport.ru/issues/11&12/page14.html), принятый за прототип, в котором установленный на валу трехгранный ротор жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней - статором. Ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трехгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекает переменные объемы камер в цилиндре. Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ротора выполняется три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. В рабочей камере, которая является также и камерой сжатия, имеющей сложную геометрическую форму, сжимают рабочую смесь, поджигают ее искрой и под воздействием расширения продуктов горения рабочей смеси вращается ротор треугольной формы. В таком двигателе отсутствуют шатун и коленвал, однако центр масс ротора двигателя вращается вокруг оси, что создает вибрацию. Также существует проблема сочленения трущихся поверхностей рабочей камеры и ротора при высокой температуре. Кроме того, изготовление корпуса со сложной геометрией внутренней поверхности требует высокой точности обработки, что существенно удорожает двигатель.
Техническая задача изобретения состоит в обеспечении надежного сочленения ротора и корпуса, в упрощении конструкции рабочих поверхностей двигателя, в уменьшении удельного объема металла двигателя на единицу мощности, в обеспечении динамической балансировки ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что на валу расположен один ротор, который выполнен в форме тора со скошенной по эллиптической траектории поверхностью, параллельной валу. Ротор помещен внутри торообразного корпуса, который выполнен в форме разъемного пустотелого тора, соединенного резьбовыми элементами по внешней стороне тора, с обеспечением компрессионного сочленения эллиптического тора ротора с половинками тора корпуса за счет компрессионных колец, установленных в наиболее удаленных от центральной оси тора корпуса части тора ротора. Между впускным и отводящим отверстиями расположена радиально подпружиненная заслонка, опирающаяся торцом на ротор. Заслонка помещена в корпус с компрессионным сочленением с ним и с ротором. На диаметрально противоположной стороне корпуса расположены радиально две подпружиненные и регулируемые кулачковым механизмом заслонки, опирающиеся торцами на ротор. Заслонки могут быть выполнены из двух плотно прилегающих пластин, подвижных относительно друг друга в радиальном направлении. Заслонки в сочленении с ротором и корпусом образуют рабочую и компрессорную камеры. Впускное отверстие компрессорной камеры присоединено напрямую без клапана к системе воздухоподготовки, а отводящее напрямую без клапана к системе отвода отработанных газов.
Корпус и ротор могут быть выполнены цилиндрическими, однако это создает те же проблемы сочленения трущихся поверхностей корпуса и ротора, что существуют в двигателе Ванкеля.
Отличие от прототипа заключается в новой схеме организации рабочей и компрессорной камер, а также камер всасывания и выхлопа, в новой форме ротора. Это обуславливает соответствие технического решения критерию новизна.
Таким образом роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус и ротор, помещенный внутри корпуса, сочлененный компрессионными кольцами с корпусом, вал, систему подготовки воздушно-топливной смеси, систему зажигания смеси и систему отвода отработанных газов, отличается тем, что на валу жестко расположен один ротор, выполненный в форме тора со скошенной по эллиптической траектории поверхностью, параллельной валу, сочлененный с корпусом компрессионными кольцами, которые установлены в наиболее удаленных от оси тора ротора круглых в радиальном сечении местах, при этом в корпусе, выполненном в форме разъемного пустотелого тора, разъемные части которого соединены резьбовыми элементами по внешней стороне тора, между впускным и отводящим отверстиями расположена радиально подпружиненная заслонка, опирающаяся торцом на ротор, компрессионно сочлененная с корпусом и ротором, а на диаметрально противоположной стороне корпуса расположены радиально две подпружиненные и регулируемые кулачковым механизмом заслонки, также опирающиеся торцами на ротор, компрессионно сочлененные с корпусом и ротором.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков обеспечивается новый технический результат, заключающийся в том, что обеспечивается простое и надежное сочленение трущихся поверхностей ротора и корпуса за счет кольцеобразности основной части их трущихся поверхностей, при этом вращение от перемещающегося, под воздействием расширяющегося рабочего тела, поршня на вал передается напрямую без применения зубчатой передачи.
На чертеже фиг.1.а показан поперечный разрез (относительно вала), а на чертеже фиг.1.б - продольный разрез роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором на валу (1) (нумерация в чертежах сквозная) перпендикулярно валу жестко посажен цилиндрический диск (2). На диске (2) жестко закреплен ротор, имеющий форму тора (3) со скошенной по эллиптической траектории поверхностью, который в сочленении с корпусом (4) и заслонками (5, 6, 7) создает камеры всасывания (8), сжатия (9), расширения (10) и выхлопа (11). Заслонка (5) расположена между впускным (12) и отводящим (13) отверстиями. Заслонки (5, 6, 7) торцами компрессионно сочленены с ротором (3). Впускное отверстие (12) соединено с системой подготовки воздуха или топливно-воздушной смеси. Отводящее отверстие (13) соединено с системой отвода отработанных газов. Между заслонками (6) и (7) в корпусе выполнено углубление (14), в которое выведены форсунка (15) впрыска топлива и контакты искрообразователя (16). Заслонки (5, 6, 7) прижимаются к скошенной поверхности ротора пружинами (17, 18, 19). Заслонки (6) и (7) сочленены с кулачками (20, 21) через стержни (22, 23). По обе стороны от заслонок, в параллельной плоскости с ней расположены подпружиненные к ротору (3) пружинами (24) пластины с полукруглыми вырезами (25), которые сочленены с поверхностью ротора (3). Пластины (25) помещены в корпус (4) с компрессионным сочленением с ним. Заслонки (6, 7, 8) могут быть выполнены из двух плотно прилегающих пластин, подвижных относительно друг друга в радиальном направлении. На роторе (3) установлены компрессионные кольца (26), которые сочленены с внутренней поверхностью тора корпуса (4). Половинки корпуса (4) соединены между собой резьбовыми элементами (27).
Устройство работает следующим образом. При вращении ротора (3) (фиг.1.а.) рабочая смесь поступает (засасывается) через впускное отверстие (12) в серпообразную камеру всасывания (8). В камере (9) при этом происходит сжатие рабочей смеси всосанной на предыдущем цикле. В камере (10) происходит расширение продуктов горения смеси после ее зажигания искрообразователем (16). Из камеры (11) происходит выхлоп продуктов горения предыдущего цикла через отводящее отверстие (13). Если в качестве всасываемой смеси используется воздух, то в камеру-углубление (14) впрыскивается топливо в соответствующий момент.
На чертежах фиг.2-9 показано положение ротора и заслонок в процессе одного цикла (половина оборота вала (1)) с впрыскиванием топлива в сжатый воздух.
На чертеже фиг.2 ротор находится в горизонтальном (относительно наблюдателя) положении (сторона А с левого края, сторона Б - с правого. Заслонка (6) поднята кулачком (20) через стержень (22). Заслонка (7) прижата к ротору (3) пружиной (19). При этом камера расширения (10) не имеет сообщения с атмосферой и в ней происходит полное сгорание топливно-воздушной смеси и расширение продуктов горения. Камера сжатия (9) также не имеет сообщения с атмосферой и в ней происходит сжатие воздуха или топливно-воздушной смеси. Из камеры (11) происходит вытеснение продуктов горения через отверстие (13). В камеру (8) происходит всасывание воздуха. Заслонка (5) во всех положения ротора прижата к ротору пружиной (17).
На чертеже фиг.3 показано опускание заслонки (6) под действием пружины (18) путем освобождения от действия кулачка (20). Сжатый воздух находится правее заслонки (7).
На чертеже фиг.4 показано поднятие заслонки (7) кулачком (21). При этом сжатый воздух перетекает в полость углубления (14). Сразу после этого происходит впрыскивание топлива форсункой (15).
На чертеже фиг.5 ротор расположен вертикально. Полностью завершен выхлоп продуктов из камеры (11) и полностью заполнена воздухом камера сжатия (9). Показано опускание заслонки (7) под действием пружины (19), путем освобождения ее от действия кулачка (21).
На чертеже фиг.6 показано поднятие заслонки (б) кулачком (20) и подача искры в топливно-воздушную смесь. В камере (10) начинается расширение продуктов горения смеси. В камере (9) начинается сжатие воздуха, а из камеры (11) происходит вытеснение продуктов горения прошлого цикла. В камеру (8) начинает всасываться воздух.
На чертежах фиг.7, 8, 9 - последовательно показано продолжение всех процессов в камерах.
На чертеже фиг.9 показано положение ротора и заслонок после окончания одного цикла. При том сторона А ротора находится с правого края, а сторона Б - с левого.
Таким образом половину оборота вал (1) приводится во вращение расширением газов со стороны А ротора (3), а вторую половину оборота вал (1) приводится во вращение стороной Б ротора (3). При этом рабочая смесь практически непрерывно поступает в камеру всасывания (8), практически непрерывно сжимается в камере сжатия (9), практически непрерывно расширяется в камере расширения (10), а отработанные газы непрерывно поступают из камеры выхлопа (11) в систему отвода отработанных газов.
Исполнение роторно-поршневого двигателя, когда один жестко установленный на вал симметричный ротор, расположенный в тороидальном корпусе, создает сбалансированную систему по массо-инерционным характеристикам. Такое исполнение обеспечивает высокий КПД при преобразовании термодинамической энергии в механическую, за счет надежного уплотнения камер и позволяет обходиться без зубчатой передачи вращения ротора валу двигателя. Позволяет также устранить вибрацию, наблюдаемую в двигателе Ванкеля из-за несовпадения оси вращения ротора и оси вращения вала двигателя, путем совмещения вала ротора и вала двигателя.
Исполнение заслонок из двух плотно прилегающих пластин, подвижных относительно друг друга в радиальном направлении позволяет обеспечить хорошее компрессионное сочленение ротора и корпуса.