РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в транспортной технике, а также может быть использовано в качестве компрессоров, гидромоторов и насосов в разных отраслях.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №8056, МПК F02В 53/00, опубл. 16.10.1998 г.), содержащий корпус в виде полого диска с полостью и размещенный внутри корпуса ротор, выполненный с максимальным поперечным сечением, совпадающим с поперечным сечением корпуса. В периферийных областях максимального поперечного сечения ротора расположены, по крайней мере, два поршня. С диаметрально противоположных сторон корпуса установлена, по крайней мере, одна пара уплотняющих задвижек с возможностью выдвижения под действием соответствующих механизмов и взаимодействия с поверхностью ротора с образованием временных камер сгорания и сжатия. Двигатель содержит ресивер с впускными и выпускными клапанами, выхлопные и впускные патрубки, расположенные по обе стороны от одной из уплотняющих задвижек пары. Уплотняющие задвижки выполнены с возможностью обратного утапливания под действием обода ротора. Ротор выполнен с двумя кулачковообразными выступами, имеющими одинаковую конфигурацию, образованную плавно изменяющимися диаметрами участков поверхности ротора, предназначенных для взаимодействия с соответствующими задвижками.
К недостаткам роторного двигателя можно отнести необходимость в механизмах, осуществляющих перемещение уплотняющих задвижек, и ресивере, сложность изготовления конструкции и обеспечения торцевых уплотнений.
Известен роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №43594, МПК F02B 53/00, опубл. 27.01.2005 г.), содержащий корпус с полостью цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, имеющий впускное и выпускное отверстия. Ротор установлен внутри полости корпуса так, что его ось вращения совпадает с продольной осью полости корпуса. На поверхности ротора вдоль его оси вращения размещена радиальная лопасть, крайняя часть которой образует минимальный зазор с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы. Вне полости корпуса размещена разделительная пластина, установленная с возможностью перемещения внутрь полости корпуса по направлению к оси вращения ротора до его поверхности и обратно. Двигатель снабжен камерой сгорания, расположенной вне полости корпуса.
К недостаткам вышеописанного технического решения можно отнести его низкий КПД, обусловленный сжиганием топливной смеси атмосферного давления при отсутствии необходимого в таком случае избытка воздуха, а также сложность конструкции, которая выражается в необходимости специального привода, и средств обеспечения синхронизированного с другими актами рабочего цикла ввода и вывода разделительной пластины и ее уплотнения.
Изобретение решает задачу повышения КПД двигателя за счет сжигания топливной смеси при давлении выше атмосферного и упрощения конструкции двигателя за счет осуществления рабочего цикла при постоянном контакте разделительной пластины с ротором, который обеспечивается создаваемым избыточным давлением.
Для получения необходимого технического результата в известном роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с полостью цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, установленный в полости корпуса полый ротор, выполненный с радиальной лопастью, ориентированной вдоль его оси вращения, которая совпадает с продольной осью полости корпуса, камеру сгорания, расположенную вне полости корпуса, разделительную пластину, впускное и выпускное отверстия, предлагается двигатель дополнительно снабдить камерой подпрессовки, расположенной вне полости корпуса и связанной с камерой сгорания через перепускной клапан, ротор выполнить с кольцевыми ребордами, которые делят внутреннюю цилиндрическую полость корпуса на секцию топливной смеси, разделенную радиальной лопастью ротора на полости всасывания и сжатия, и рабочую секцию, разделенную радиальной лопастью на полость расширения и полость выпуска. Двигатель предлагается снабдить дополнительной разделительной пластиной, причем одну пластину установить в камере сгорания, а вторую - в камере подпрессовки, кроме того, разделительные пластины предлагается выполнить в виде поршней, а поверхность каждой разделительной пластины-поршня, находящуюся в постоянном контакте с ротором под действием избыточного давления в камерах, профилировать таким образом, чтобы обеспечить подъем и опускание пластины-поршня при прохождении радиальной лопасти без потери контакта с ее поверхностью, впускное отверстие выполнить в пластине-поршне, расположенной в камере подпрессовки, а выпускное - в пластине-поршне, расположенной в камере сгорания. Кроме этого, в теле каждой пластины-поршне предлагается выполнить дополнительный канал, посредством которого камера сгорания сообщается с полостью расширения, а полость сжатия - с полостью подпрессовки, причем последний канал оборудовать обратным клапаном.
Для обеспечения герметичности секций и полостей двигателя предлагается верхние части реборд и боковых поверхностей разделительных пластин-поршней выполнить с канавками, в которых установить поршневые уплотнительные кольца, а верхнюю часть радиальной лопасти и нижние части боковых поверхностей разделительных пластин-поршней выполнить с пазами, в которых разместить шпонки уплотнения.
В полости ротора можно расположить систему охлаждения и дополнительно гидравлический насос или воздушный компрессор, или генератор переменного тока.
Предлагаемый роторный двигатель внутреннего сгорания изображен на прилагаемых к описанию чертежах:
- на фиг.1 - двигатель, фронтальный вид;
- на фиг.2 - двигатель, вид сбоку в разрезе;
- на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2, секция смеси;
- на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2, рабочая секция;
- на фиг.5 - внешний вид ротора;
- на фиг.6 - сечение Г-Г на фиг.3;
- на фиг.7 - вид Е на фиг.3;
- на фиг.8 - вид Ж на фиг.4;
- на фиг.9 - сечение Д-Д на фиг.2.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - ротор;
2 - радиальная лопасть ротора;
3 - корпус;
4 - камера сгорания;
5 - разделительная пластина-поршень, расположенная в камере сгорания;
6 - штуцер подвода масла;
7 - штуцер отвода масла;
8 - профилированная поверхность разделительной пластины-поршня;
9 - разделительная пластина-поршень, расположенная в камере смеси;
10 - клапан перепускной;
11 - камера подпрессовки;
12 - свеча зажигания;
13 - клапан обратный;
14 - фиксатор;
15 - блок корпуса;
16 - блок цилиндров;
17 - датчик начала зажигания;
18 - всасывающий коллектор;
19 - выхлопной коллектор;
20 - масляный насос;
21 - масляный картер;
22 - поршневое уплотнительное кольцо;
23 - радиальное уплотнительное кольцо;
24 - боковая крышка;
25 - подшипник радиально опорный;
26 - крышка подшипника;
27 - уплотнительные манжеты;
28 - воздухопропускные окна;
29 - лопасти для перемещения воздуха;
30 - реборда ротора;
31 - секция топливной смеси;
32 - рабочая секция;
33 - полость всасывания;
34 - полость сжатия;
35 - полость выпуска;
36 - полость расширения;
37 - впускное отверстие;
38 - выпускное отверстие;
39 - канал;
40 - канал;
41 - шпонка уплотнения, расположенная на радиальной лопасти;
42 - шпонка уплотнения, расположенная на боковой поверхности разделительной пластины-поршня, установленной в камере подпрессовки;
43 - шпонка уплотнения, расположенная на боковой поверхности разделительной пластины-поршня, установленного в камере сгорания;
44 - уплотнительная прокладка;
45 - отверстие в разделительной пластине-поршне, расположенной в камере сгорания;
46 - отверстие в разделительной пластине-поршне, расположенной в камере подпрессовки;
47 - отверстие в радиальной лопасти ротора со стороны камеры подпрессовки;
48 - отверстие в радиальной лопасти ротора со стороны камеры сгорания;
49 - полость ротора.
Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 3 с полостью цилиндрической формы. Корпус ограничен с торцов боковыми крышками 24. В полости корпуса установлен на двух радиально опорных подшипниках 25 ротор 1, выполненный полым и с радиальной лопастью 2 на внешней поверхности, ориентированной вдоль его оси вращения. Ось вращения ротора 1 совмещена с продольной осью полости корпуса 3. Подшипники 25 закрыты крышками 26 с уплотнительными манжетами 27.
На внешней стороне ротора 1 выполнены кольцевые реборды 30, которые делят его поверхность по длине на два участка и создают во внутренней цилиндрической полости корпуса две секции: секцию 31 топливной смеси и рабочую секцию 32. Радиальная лопасть 2 делит секцию 31 топливной смеси на полость 33 всасывания и полость 34 сжатия. Рабочая секция 32 разделена радиальной лопастью 2 на полость 36 расширения и полость 35 выпуска. Для обеспечения герметичности секций и полостей двигателя, реборды 30 выполнены с канавками, в которых установлены радиальные уплотнительные кольца 23. На верхней части радиальной лопасти 2 выполнен паз, в котором расположена шпонка 41 уплотнения. Поджатие шпонки 41 к поверхности полости корпуса обеспечивается давлением газов в полости 36 расширения, подвод которых осуществляется через отверстия 48. Диаметр отверстия равен 0,8 мм, что по расходу смеси или газов достаточно для обеспечения прижатия шпонок уплотнения к поверхности полости корпуса.
Камера 11 подпрессовки и камера 4 сгорания расположены вне полости корпуса. Для обеспечения технологичности сборки и облегчения обслуживания двигателя камеры сформированы из двух блоков. Нижняя часть камер образована блоком корпуса 15, выполненным заодно с корпусом 3, а верхняя часть камер - блоком цилиндров 16, установленным на блок корпуса 15 через уплотнительную прокладку 44 и закрепленным известным способом при помощи крепежных шпилек. В верхней части блока цилиндров камера 11 подпрессовки и камера 4 сгорания сообщаются через перепускной клапан 10, установленный в камере 4 сгорания, где также установлена свеча зажигания 12, которая срабатывает по команде датчика 17 начала зажигания. Разделительные пластины-поршни расположены в камерах сгорания и подпрессовки и выполнены в виде поршней, причем нижняя часть каждого поршня находится в постоянном контакте с ротором 1. Верхние части боковых поверхностей разделительных пластин-поршней 5 и 9 выполнены с канавками, в которых установлены поршневые уплотнительные кольца 22. Ниже на боковых поверхностях разделительных пластин-поршней 5 и 9 выполнены пазы, в которых установлены шпонки уплотнения 42, 43. Поджатие шпонки уплотнения 42 к фиксатору 14 обеспечивается давлением смеси в полости 34 сжатия, подвод которой осуществляется при помощи отверстия 46, таким же образом шпонка 43 поджимается к фиксатору 14 за счет давления газов, подводимых из полости расширения при помощи отверстия 45. Фиксаторы 14 обеспечивают постоянное положение разделительных пластин поршней относительно оси вращения ротора.
Поверхность 8 каждой разделительной пластины-поршня, которая находится в постоянном контакте с ротором, профилирована таким образом, что при воздействии на нее радиальной лопасти 2 пластина-поршень 5 (или 9) поднимается, не теряя контакта с лопастью 2, пропускает ее и опять опускается под действием давления газов в камере 5 сгорания (или под действием избыточного давления топливной смеси в камере 11 подпрессовки). В пластине-поршне 9, расположенном в камере 11 подпрессовки, выполнено впускное отверстие 37, а выпускное отверстие 38 выполнено в пластине-поршне 5, расположенном в камере 4 сгорания. В теле разделительной пластины-поршне 5 выполнен дополнительный канал 40, посредством которого камера 4 сгорания сообщается с полостью 36 расширения, а в теле разделительной пластины-поршне 9 выполнен канал 39, посредством которого полость 34 сжатия сообщается с камерой 11 подпрессовки, причем последний канал 39 оборудован обратным клапаном 13.
Для смазки трущихся поверхностей смазочное масло масляным насосом 20 подается через штуцер 6 подвода масла и отводится через штуцер 7 отвода масла в масляный картер 21.
Для обеспечения более интенсивного воздушного охлаждения в полости 49 ротора 1 установлены лопасти 29, которые обеспечивают перемещение воздуха через воздухопропускные окна 28.
Всасывание смеси осуществляется через всасывающий коллектор 18, а выпуск отработанных газов - через выхлопной коллектор 19.
Учитывая то, что ротор 1 выполнен с полостью 49, в ней можно расположить проточную систему жидкостного охлаждения для двигателей с двумя и большим числом пар секций и гидравлический насос, выполненный в виде неподвижного блока, в котором расположены 6 поршней, а их перемещение обеспечивается воздействием наклонной шайбы, укрепленной внутри вращающегося ротора двигателя. Вместо гидравлического насоса можно расположить аналогичной конструкции воздушный компрессор или генератор переменного тока, якорь которого выполнить неподвижным и с соответствующими обмотками, а на внутренней поверхности ротора расположить самовозбуждающиеся от вращения обмотки возбуждения.
Описание работы роторного двигателя внутреннего сгорания
2
2
При вращении ротора 1 по часовой стрелке в полости 33 всасывания секции 31 смеси между радиальной лопастью 2 ротора 1 и разделительной пластиной-поршнем 9 создается разрежение, в которое устремляется топливная смесь через всасывающий коллектор 18 из карбюратора (не показан). После перехода радиальной лопасти 2 ротора 1 через поднимаемую им разделительную пластину-поршень 9 в полости 34 сжатия происходит сжатие смеси до степени 10-18 кг/см, а в полости 33 всасывания одновременно происходит всасывание смеси для следующего цикла. Сжатая топливная смесь из полости 34 сжатия через обратный клапан 13 попадает в камеру 11 подпрессовки, которая сообщается с камерой 4 сгорания через настроенный на давление 9-11 кг/см перепускной клапан 10. Камера 4 сгорания и полость 36 расширения сообщаются через канал 40 в разделительной пластине-поршне 5. После прохода радиальной лопасти и опускания разделительной пластины-поршня 5 под воздействием искры в свече зажигания 12 воздушно-топливная смесь в камере 4 сгорания воспламеняется и начинает гореть, происходит резкое повышение давления в камере 4 сгорания и полости 36 расширения, которое оказывает воздействие и на радиальную лопасть 2 ротора 1, благодаря чему происходит вращение ротора, т.е. совершается полезная работа. Одновременно, вращающаяся радиальная лопасть 2 своей обратной стороной вытесняет отработанные в прошлом цикле и немного охлажденные газы через выпускное отверстие 38 в разделительной пластине-поршне 5 и выхлопной коллектор 19 в атмосферу.
Таким образом, роторный двигатель предлагаемой конструкции работает по циклу Отта, но разделительные пластины-поршни находятся в постоянном контакте с ротором за счет избыточного давления в камерах подпрессовки и сгорания.
Следствием конструктивной особенности ротора является возможность предварительной подпрессовки топливной смеси, что дает возможность обеспечить сгорание смеси при давлении выше атмосферного, повышая тем самым КПД двигателя, как показывают расчеты, на 10-14% по сравнению с прототипом. КПД повышается за счет увеличения среднего индикаторного давления, которое повышается в рабочем процессе за счет сгорания смеси при давлении выше атмосферного.
Дополнительное повышение КПД за счет снижения механических потерь, которые произошли в результате упрощения конструкции, может составить еще до 10%.
Удельная масса двигателя снижается до 1,1-1,4 кг/кВт по отношению к показателю удельной массы аналогичного двигателя по ГОСТ 10150-88, равному 7,0-5,3 кг/кВт. Кроме того, конструкция двигателя и его кинематика значительно упрощаются за счет того, что нет необходимости в средствах, обеспечивающих синхронное возвратно-поступательное движение разделительных пластин.
Герметизация секций и полостей обеспечивается известными средствами с использованием создаваемого избыточного давления в камерах подпрессовки и сгорания.
Система, регулирующая частоту вращения вала двигателя, является традиционной для двигателей внутреннего сгорания.
Система охлаждения для двигателей с двумя секциями может быть воздушной, а для двигателей, у которых число секций равно 4 или 6, для охлаждения необходимо применять жидкость.
Проработан параметрический ряд двигателей. Ряд основан на размерах разделительных пластин-поршней. Размеры диаметров пластин-поршней выбраны в следующей последовательности: 20, 38, 45, 67, 85, 110 мм. Каждый двигатель параметрического ряда может состоять из 1, 2, и 6 пар секций. В таблице приведены основные характеристики некоторых двигателей параметрического ряда:
Удельная
Габариты
Роторный двигатель-
Объем
Мощность
Масса
масса
В/Н
L
Диаметр поршня-
Число пар секций
ед. изм.
литр
кВт
кг
кг/кВт
м
м
1
2
3
4
5
6
7
РД-20-1
0,03
1,06
4,32
4,08
0,14/0,18
0,12
РД-20-2
0,06
2,12
7,2
3,4
0,14/0,18
0,2
РД-20-6
0,18
6
14,4
2,4
0,14/0,18
0,4
РД-67-1
1,4
45
60
1,33
0,4/0,48
0,22
РД-67-2
2,7
89
98
1,1
0,4/0,48
0,34
РД-67-6
8,4
204
245
1,2
0,4/0,48
0,86
РД-110-1
5,8
201
323
1,61
0,73/0,9
0,33
РД-110-2
11,6
400
636
1,59
0,73/0,9
0,65
РД-110-6
35
1210
1468
1,21
0,73/0,9
1,5
Расчетным путем были определены необходимые геометрические размеры, определена конструкция и произведен расчет на прочность основных деталей одного из ряда двигателей (РД-67-1). Определены основные параметры, которые указаны в таблице.
При сравнении двигателя из вышеприведенной таблицы РД-67-1 с двигателем по ГОСТ 10150-88 было установлено, что удельный расход топлива у предлагаемого двигателя составляет 125 г/кВт·ч, что ниже на 30%, а удельная его масса на 40% лучше, чем у двигателя по ГОСТ 10150-88.