ШЕСТИТАКТНЫЙ РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SIXTY-ROCK ROTARY-PULSE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, а именно к роторно-лопастному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), который может быть использован на водном, воздушном и сухопутном транспорте, а также в качестве стационарной силовой установки.
Известен роторно-поршневой ДВС Ванкеля, содержащий трехгранный ротор (поршень) с дугообразной боковой поверхностью, вращающийся на эксцентриковом валу, корпус (статор), выполняющий роль цилиндра с рабочей поверхностью, выполненной в виде эпитрохоиды. Кинематическая связь ротора со статором осуществляется с помощью зубчатого зацепления. Торцовые и радиальные уплотнения выполнены в виде подпружиненных пластин, расположенных в соответствующих канавках на торцах ротора и на вершинах его треугольника (БСЭ, «Советская энциклопедия», 1971 г., т. 4, с. 289-290) (1). За один оборот ротора осуществляется 3 полных рабочих цикла, эксцентриковый вал выполняет три оборота.
Двигатель Ванкеля отличается простотой конструкции и доказал свою эффективность в практическом применении. Однако он имеет ряд существенных недостатков, главные из которых - низкая технологичность изготовления, неремонтопригодность, невысокая надежность торцового и радиального уплотнений и неполное сгорание топлива, обусловленное неоптимальной формой камеры сгорания.
Известен роторный ДВС по патенту РФ на изобретение №2416032 (опубликован 10.11.2010 г.) (2). Данный двигатель содержит корпус (статор) с эллиптической рабочей поверхностью, цилиндрический ротор, в продольных пазах которого размещены лопатки, перемещаемые в радиальном направлении закрепленными на лопатках роликами, которые перекатываются по профилированным пазам, выполненным в боковых стенках статора. Торцовые и радиальные уплотнения обеспечены разрезными П-образными пластинами, размещенными в пазах лопаток, и подпружиненными кольцами, размещенными в расточках боковых стенок. В каждой рабочей камере двигателя (2) за один полный оборот ротора с валом осуществляется четырехтактный цикл, т.о. число рабочих ходов за один оборот вала определяется числом рабочих камер, которых может быть от шести до двадцати четырех.
Двигатель согласно патенту (2) повторяет основные недостатки двигателя Ванкеля, а именно низкую технологичность изготовления, ненадежность уплотнений, неоптимальность камеры сгорания. Кроме того, данный двигатель чрезмерно громоздок по конструкции.
Известен также шеститактный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (патент РФ на изобретение №2619672, опубликован 17.05.2017) (3), выбранный в качестве прототипа.
Указанный двигатель содержит статор с впускными и выпускными окнами, отверстиями для свечей зажигания и рабочими камерами забора и сжатия топливо-воздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения; жестко закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, с камерами горения, выполненными на его цилиндрической поверхности между пазами; боковые стенки; передний и задний подшипниковые щиты.
В известном двигателе надежно решен вопрос герметизации между ротором и боковыми стенками рабочих камер, а также вопрос утечек газов за пределы рабочей зоны. Однако система уплотнений не исключает некоторой межкамерной перетечки как топливо-воздушной смеси, так и отработавших продуктов горения.
Задачей настоящего изобретения является создание двигателя с полной герметизацией рабочего пространства, предотвращающего как утечки топливо-воздушной смеси за пределы рабочего пространства, так и межкамерные перетечки.
Поставленная задача решается тем, что в шеститактном роторно-лопастном ДВС, содержащем статор с впускными и выпускными окнами, с отверстиями для свечей зажигания, с рабочими камерами забора и сжатия топливо-воздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения; закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, с камерами горения, выполненными на цилиндрической поверхности ротора между пазами, боковые стенки и передний и задний подшипниковые щиты, боковые стенки всех рабочих камер двигателя образованы деталями, жестко и герметично скрепленными со статором, при этом в пазах, выполненных на торцах ротора, размещены составные призматические детали, пружинами прижимаемые торцами к соседним лопаткам, а боковой гранью - к боковым стенкам рабочих камер.
Таким образом, указанные призматические детали представляют собой подпружиненные в двух направлениях уплотняющие элементы, позволяющие предотвратить межкамерную перетечку газов через зазор между ротором и боковой стенкой.
Предпочтительно камеры горения выполнены в виде полусферических углублений между продольными пазами ротора, рабочие камеры статора выполнены в виде цилиндрических расточек с осями, параллельными оси статора и разнесенными равномерно по его внутренней поверхности, каждая лопатка состоит из отдельных пластин с возможностью свободного взаимного перемещения, причем каждая пластина лопатки выполнена из двух частей, раздвигаемых в осевом направлении пружиной, а количество лопаток кратно количеству камер забора топливо-воздушной вмеси.
Необходимо отметить, что рабочие поверхности основных деталей двигателя согласно изобретению подлежат обработке механизмами с элементарными видами движения - вращательным и прямолинейно-поступательным, что обеспечивает высокую технологичность изготовления двигателя. Таким образом, роторно-лопастной ДВС согласно изобретению реализует шеститактный рабочий цикл, состоящий из тактов: впуска топливо-воздушной смеси, сжатия топливо-воздушной смеси, горения топливо-воздушной смеси, расширения продуктов горения, выпуска продуктов горения и очистки, причем горение во времени и пространстве отделено от сжатия и расширения. Шестой такт цикла - очистка - исключает взаимные перетечки топливо-воздушной смеси в зону выпуска отработавших газов, а отработавших газов в зону забора топливо-воздушной смеси. Число двойных (тройных, четверных и т.д.) ходов за один оборот вала равно числу лопастей в пазах ротора. Изобретение также обеспечивает возможность перевода ДВС в экономичный режим работы, при этом число рабочих ходов за один оборот ротора остается неизменным.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид двигателя в поперечном разрезе; на фиг. 2 показан осевой разрез двигателя с фиг. 1; на фиг. 3 показано место I с фиг. 1; на фиг. 4 показано место II с фиг. 2; на фиг. 5 показано сечение А-А с фиг. 3.
Роторно-лопастной ДВС содержит статор 1 (фиг. 1; 2) с впускными 2 и выпускными 3 окнами (фиг. 1). По внутренней цилиндрической поверхности статора 1 расположены цилиндрические расточки, попарно образующие камеры 4 забора топливо-воздушной смеси и камеры 5 расширения продуктов горения (фиг. 1). В резьбовые отверстия статора 1 ввинчены свечи 6 (фиг. 1; 2). Со статором 1 сцентрированы и жестко скреплены боковые стенки 7 и 8 (фиг. 2; 5). Со статором 1 и боковыми стенками 7 и 8 сцентрированы и жестко скреплены передний 9 и задний 10 подшипниковые щиты (фиг. 2). В щитах 9 и 10 на радиально-упорных подшипниках смонтирован вал 11, на котором жестко укреплен ротор 12 (фиг. 1; 2; 3). В продольных пазах ротора 12 размещены пластины 13, 14, 15 со вставками 16 (фиг. 3; 5). Число пластин может быть любым, но не менее двух. Вставки 16 и пластины 13, 14, 15 разжимаются пружинами 17 (фиг. 5). Под пластинами 13, 14, 15 помещены пружины 18 (общие для всех пластин лопатки) (фиг. 3; 5), под пластинами 14, 15 помещены пружины 19 (отдельно для каждой пластины) (фиг. 5). На цилиндрической поверхности ротора 12, между продольными пазами, выполнены полусферические углубления 21 (фиг.1; 2). В расточках, выполненных в роторе 12, помещены подпружиненные маслосъемники 22 (фиг. 1; 3). В пазах, выполненных в торцах ротора 12 (место II, фиг. 2), помещены призматические детали, состоящие из двух половин 23 и 24 (фиг. 3; 4), разжимаемыми между собой пружиной 25 (фиг. 4) и прижимаемыми пружиной 26 (фиг. 4) к боковым стенкам 7 и 8 (фиг. 2). В верхней части щитов 9 и 10 выполнены отверстия 27 и 28 (фиг. 2). В нижней части щитов 9 и 10 выполнены отверстия 29 и 30 (фиг. 1; 2).
Работу ДВС согласно изобретению проследим на примере варианта, изображенного на фиг. 1 (с двумя камерами забора, направление вращения по часовой стрелке).
Каждая из пластин 13, 14, 15 через вставку 16 в шахматном порядке прижимается к боковым стенкам 7 и 8. Каждая половина 23 и 24 призматических деталей пружинами 25 прижимаются торцами к пластинам 13, 15 (в совокупности - лопаток), а пружинами 26 прижимаются к боковым стенкам 7 и 8. Совокупность перечисленных деталей обеспечивает надежную торцовую герметизацию. При пуске двигателя пружины 18, 19 обеспечивают прижим лопаток к рабочей поверхности статора 1. При вращении ротора 12 в пространство камер 4 забора топливо-воздушной смеси, образующееся за выдвигающейся лопаткой, через впускные окна 2 засасывается топливо-воздушная смесь, которая при дальнейшем вращении очередной лопаткой сжимается в сужающемся пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями статора 1, ротора 12 и боковыми стенками 7 и 8.
На конечной стадии сжатия смесь концентрируется в полусферическом углублении 21 на цилиндрической поверхности ротора 12. В этот момент свечами 6 смесь воспламеняется и сгорает в замкнутом пространстве, прежде чем передняя по ходу лопатка начнет выдвигаться в открывающееся пространство камеры 5 расширения продуктов горения, осуществляя передачу крутящего момента валу 11. При дальнейшем вращении за передними по ходу лопатками открываются выпускные окна 3 и отработавшие газы удаляются из камер 5. Участок центральной цилиндрической поверхности статора между камерами 5 расширения продуктов горения и выпуска отработавших газов и камерами 4 забора и сжатия топливо-воздушной смеси вытесняет отработавшие газы и предотвращает попадание отработавших газов в зону забора топливо-воздушной смеси. Через отверстия 27 и 28 подается смазывающе-охлаждающая субстанция (масло, масляный туман), обеспечивающая охлаждение рабочей зоны и смазку трущихся поверхностей. Через отверстия 29 и 30 субстанция удаляется на регенерацию и охлаждение. Синхронное движение лопаток в пазах ротора обеспечивает динамическую уравновешенность двигателя. При достижении установившегося режима работы двигателя в одну (или больше) из камер забора и сжатия топливо-воздушной смеси может быть любым известным способом прекращена подача топлива при сохранении поступления в указанную камеру воздуха. При этом работа двигателя продолжается с пониженной отдаваемой мощностью при сохранении неизменным числа рабочих ходов за один оборот ротора.