РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с планетарным движением ротора и может быть использовано для привода стационарных агрегатов и транспортных средств.
Известен двигатель, содержащий статор, состоящий из корпуса с всасывающими и выпускными окнами, и двух боковых крышек с всасывающими и выпускными окнами, ротор, располагающийся в расточке корпуса на эксцентриковом валу и совершающий в ней планетарное движение (см. Бениович B.C. Ротопоршневые двигатели / B.C. Бениович, Г.Д. Апазиди, A.M. Бойко. - Москва: Машиностроение, 1968. табл 1, с. 5-10). В корпусе установлены свечи зажигания. Форма расточки в корпусе представляет собой цилиндрическую поверхность с направляющей кривой в виде или трохоиды, или внешней огибающей семейства трохоид при их планетарном движении, аналогичном движению ротора. Рабочая поверхность ротора также представляет собой цилиндрическую поверхность с направляющей кривой в виде или трохоиды, или внутренней огибающей семейства трохоид при их планетарном движении, аналогичном движению ротора. На поверхностях профиля ротора и статора могут иметься выемки для формирования топливно-воздушного потока и образования камеры сгорания. Эксцентриковый вал установлен в подшипниках, расположенных в боковых крышках. Описание роторного двигателя Ванкеля дано см. Бениович B.C. Ротопоршневые двигатели / B.C. Бениович, Г.Д. Апазиди, A.M. Бойко. - Москва: Машиностроение, 1968, с. 10-61. В его основу положена эпитрохоидная расточка статора и внутренняя огибающая для ротора. Недостатком данной конструкции является то, что она имеет большое количество подвижных уплотнительных элементов, расположенных на роторе и подвергающихся воздействию значительных центробежных сил, следствием чего является снижение ресурса двигателя. Другим ее недостатком является невозможность получения достаточной степени сжатия для дизельного режима работы одноступенчатой секции двигателя.
В книге Бениович B.C. Ротопоршневые двигатели / B.C. Бениович Г.Д. Апазиди, A.M. Бойко. - Москва: Машиностроение, 1968, табл. 1, с. 8 также рассмотрены двигатели с эпитрохоидной или гипотрохоидной поверхностью ротора и внешней огибающей для статора. Недостатком конструкции с гипотрохоидной кривой является невозможность получения достаточной степени сжатия для дизельного режима работы одноступенчатой секции двигателя. Недостатком рассмотренных конструкции с эпитрохоидной кривой поверхности ротора является использование эпитрохоид с параметром формы «С» более 2, что приводит к ухудшению массо-габаритных параметров двигателя. Необходимость использования эпитрохоид с параметром формы «С» более 2 определяется необходимостью размещения синхронизирующих шестерен.
В качестве прототипа выбран двигатель компании «РЕНО», описанный в книге Бениович B.C. Ротопоршневые двигатели / B.C. Бениович, Г.Д. Апазиди, A.M. Бойко. - Москва: Машиностроение, 1968, с. 128-129. Он имеет статор, состоящий из корпуса с всасывающими и выпускными окнами и двух боковых крышек, ротор, располагающийся в расточке корпуса на эксцентриковом валу и совершающий в ней планетарное движение. В корпусе установлены клапаны механизма газораспределения. Форма расточки в корпусе представляет собой цилиндрическую поверхность с направляющей кривой в виде внешней огибающей семейства эпитрохоид при их планетарном движении, аналогичном движению ротора. Рабочая поверхность ротора представляет собой цилиндрическую поверхность с направляющей кривой в виде эпитрохоиды. На поверхностях профиля статора имеются выемки для образования камеры сгорания и отверстия для подвода воздуха и отвода отработавших газов. Эксцентриковый вал установлен в подшипниках, расположенных в боковых крышках. Воспламенение горючей смеси от сжатия. Недостатками конструкции данного двигателя является сложность изготовления статора ввиду сложности математической кривой внешней огибающей, более худшие массо-габаритные показатели в виду применения показателя «С» более 2 и наличие сложного механизма газораспределения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание роторного двигателя внутреннего сгорания с более высокой эффективностью работы при упрощении конструкции и уменьшении габаритов.
Поставленный технический результат достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор, состоящий из корпуса с внутренней цилиндрической расточкой, двух боковых крышек с подшипниковыми опорами и с всасывающими и выпускными окнами, и установленными в нем свечами зажигания или форсунками, вал с эксцентриком, установленный в подшипниках, и ротор, вращающийся на эксцентрике вала, ротор выполнен в виде диска, торцевые поверхности диска ротора представляют собой плоскость, рабочая поверхность ротора выполнена по эпициклоиде, боковые крышки имеют участки плоской поверхности, сопряженной с торцевыми поверхностями ротора, внутренняя цилиндрическая поверхность расточки статора выполнена также по эпициклоиде, на поверхности впадин расточки статора и/или на поверхности выступов ротора выполнены дополнительные впадины для образования камер сгорания, при этом газораспределительная система может быть размещена в теле ротора в виде газораспределительных каналов кольцевой формы по одному на каждой торцевой поверхности ротора и выполненных на рабочей поверхности ротора газораспределительных окон, соединенных с каналами, при этом газораспределительные окна и каналы в роторе выполнены таким образом, что при перемещении ротора внутри статора обеспечивается периодическое синхронизированное с тактами рабочего цикла соединение рабочих замкнутых полостей, образуемых рабочими поверхностями статора и ротора с всасывающими и выпускными окнами двух боковых крышек статора.
Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что рабочая поверхность статора выполнена по эпициклоиде, более простой геометрической кривой. Рабочая (боковая) поверхность ротора выполнена также по эпициклоиде. При этом газораспределение может осуществляться путем размещения в теле ротора газораспределительных каналов и выполнения на рабочей поверхности ротора газораспределительных окон. Газораспределительные окна и каналы в роторе выполнены таким образом, что при перемещении ротора внутри статора обеспечивается периодическое синхронизированное с тактами рабочего цикла соединение рабочих замкнутых полостей, образуемых рабочими поверхностями статора и ротора с всасывающими и выпускными окнами двух боковых крышек статора. На рабочих поверхностях статора и/или ротора дополнительно выполнены углубления, которые формируют камеры сгорания.
Технический результат, который получается от использования изобретения, заключается в повышении удельных мощностных показателей за счет уменьшения габаритных размеров вследствие применения эпициклоид, кривых, формирующих более выпуклые поверхности по сравнению с эпитрохоидами, упрощении конструкции двигателя за счет применения более простых математических кривых для формообразования статора и ротора, и исключения клапанной системы газораспределения. Дополнительно технический результат в виде упрощения конструкции получается вследствие того, что при использовании эпициклоиды для формообразования ротора и статора появляются геометрические точки на поверхности ротора, которые при перемещении ротора периодически становятся неподвижными относительно статора, в момент, когда выступ рабочей поверхности статора входит во впадину поверхности ротора. Такое сочетание геометрической формы и наличия моментов неподвижности позволяет организовать процесс синхронизации скорости и фазы вращения ротора относительно эксцентрика вала с вращением вала относительно статора и скорости и фазы перемещения ротора относительно статора без применения синхронизирующих шестерен путем простого взаимодействия выступов статора и впадин ротора. Также технический результат получается за счет уменьшения «защемленных» объемов камеры сгорания вследствие более точного соответствия формы вытесняющих выступов эпициклоидного ротора форме камер эпициклоидного статора, что ведет к повышению эффективности работы двигателя.
На фиг. 1 показано изображение роторного двигателя (вид сбоку со снятой крышкой); на фиг. 2 показан разрез роторного двигателя.
Устройство содержит ротор, состоящий из диска 1 с газовытеснительными выступами 7, вращающегося на эксцентрике 2 вала 3, статор, состоящий из корпуса 4 с рабочими полостями 8 и дополнительными полостями 9, служащими камерами сгорания, и боковых крышек 6 и 5 с подшипниковыми узлами 10. При этом профили рабочих поверхностей выступов 7 ротора 1 и полостей 8 статора 4 выполнены по эпициклоиде. Боковые крышки 6 и 5 имеют участки с плоскими поверхностями на сторонах, обращенных внутрь корпуса, и с целью их точной и жесткой установки связаны с корпусом статора 4 при помощи штифтов и других крепежных элементов. В боковых крышках 6 и 5 располагаются окна 11 системы газораспределения роторного двигателя, впускное на крышке 6 и выпускное на крышке 5. В торцевых поверхностях ротора выполнены кольцевые каналы 12, а на рабочих поверхностях выступов 7 окна 13 системы газораспределения роторного двигателя. При этом выступы 7, имеющие окна, названы распределительными и чередуются через один с выступами 7, не имеющими окон, названными рабочими.
Вал 3 закреплен с возможностью вращения в подшипниковых узлах 10 крышек 6 и 5 статора. Механический момент можно снимать с выходных концов 14 вала 3.
Устройство работает следующим образом.
Совокупность эпициклоидных поверхностей статора и ротора образует несколько изолированных камер, число которых равно числу полостей 8 статора (в приведенном примере их число равно 7). Каждая камера образуется участками четырех поверхностей: статора, ротора и внутренних плоских поверхностей двух крышек статора. При совершении ротором 1 планетарного движения внутри статора 4 объем изолированных камер периодически меняется в зависимости от углового положения эксцентрика вала и положения ротора относительно статора. При этом в каждой камере реализуются последовательно все необходимые для работы четырехтактного ДВС такты. Газораспределение может выполняться с помощью каналов и окон в роторе (или другой системы газораспределения). На фиг. 1 показано положение ротора, в котором для крайней правой камеры статора выполняется фаза окончания вытеснения отработанных газов через выпускное газораспределительное окно распределительного выступа ротора. При дальнейшем вращении вала и перемещении ротора распределительный выступ повернется в полости статора, при этом выпускное газораспределительное окно распределительного выступа ротора выйдет за пределы рассматриваемой полости статора в соседнюю, а в расширяющуюся камеру будет засасываться воздух или топливо-воздушная рабочая смесь через впускное газораспределительное окно распределительного выступа ротора из впускного газораспределительного канала ротора и газораспределительного впускного окна крышки статора. В процессе поворота вала на 360 градусов распределительный выступ ротора постепенно выйдет из рассматриваемой полости статора и сместится к соседней полости, а его место займет соседний рабочий выступ ротора. При этом в рассматриваемой полости реализуется фаза сжатия воздуха или рабочей смеси (PC). Основная доля воздуха или PC вытеснится рабочим выступом ротора в дополнительную полость 9, где расположена свеча или форсунка. В момент максимального сжатия происходит поджиг PC или самовоспламенение впрыскиваемого горючего и начинается рабочий ход. При этом расширяющиеся газы давят на поверхность рабочего выступа ротора и через ротор на эксцентрик вала, что приводит к появлению на рабочем конце вала 14 механического момента. При дальнейшем движении ротора и повороте вала рабочий выступ выйдет из рассматриваемой полости статора в соседнюю, а его место начнет занимать следующий распределительный выступ, причем той своей стороной, на которой расположено выпускное газораспределительное окно. Начнется фаза выпуска отработанных газов через выпускное газораспределительное окно распределительного выступа ротора в выпускной газораспределительный канал ротора, и далее в газораспределительное выпускное окно крышки статора. Далее цикл повторяется. Такой же процесс происходит в каждой полости статора со смещением по фазе на величину, равную доле окружности, деленной на количество полостей статора. Механический момент с вала двигателя может быть использован для привода соответствующих машин и механизмов и частично используется для поддержания движения ротора и компенсации механических потерь в двигателе. Запуск двигателя в работу может быть осуществлен путем применения стартера.
Синхронизация вращательного движения ротора и вала для обеспечения рабочего процесса в двигателе происходит за счет взаимодействия поверхности ротора с поверхностью статора преимущественно в области выступа статора с впадиной ротора в промежутке времени, когда впадина ротора совпадает в пространстве с выступом статора. В этот момент впадина ротора оказывается неподвижной относительно выступа статора, что обеспечивает отсутствие износа и надежность синхронизации. Таким образом, данные элементы могут выступать в роли зубьев синхронизирующих шестерен.
Более высокая эффективность работы при упрощении конструкции и уменьшении габаритов является преимуществом и достоинством предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.