РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Изобретение может быть использовано в области двигателестроения для преобразования энергии жидкого топлива во вращательную механическую энергию.
Известен роторный двигатель, содержащий пары двухкамерных блоков, замкнутые переменные объемы в которых образованы круговыми статорами и двухвершинными роторами, имеющими уплотняющие башмаки и кинематически связанными с подвижной шестерней внутреннего зацепления, причем движение заряда из камеры в камеру происходит через отверстия в торцевых межкамерных стенках [1].
Недостатками этого двигателя являются сложность перевода движения с ротора на рабочий вал и большая поперечная площадь этого перевода, поскольку его необходимый диаметр превышает удвоенный диаметр внутренней шестерни. Это существенно уменьшает объем рабочих камер, так как не позволяет заметно увеличивать их ширину.
Задача изобретения - упрощение кинематической связи роторов с рабочим валом и повышение объема рабочих камер.
Технический результат - упрощение технологии изготовления двигателя и повышение его долговечности.
Это достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем пары двухкамерных блоков с камерами «впуск - сжатие» и «рабочий ход - выпуск», замкнутые переменные объемы в которых образованы круговыми статорами и движущимися в них двухвершинными роторами, причем перемещение газового заряда по этим блокам осуществляется с помощью отверстий в неподвижных боковых стенках и каналов на боковой поверхности роторов, согласно изобретению имеется общий рабочий вал, кинематически связывающий роторы всех блоков и не совпадающий с центром статора, в каждой паре двухкамерных блоков центры круговых статоров совпадают, каждый ротор состоит из двух раздвижных пар симметричных частей - поворотных уплотняющих башмаков и прямолинейных направляющих, герметично скользящих вдоль продольной оси ротора, общий рабочий вал состоит из межкамерных цилиндрических частей и пустотелых частей с приваренными пластинами, пружина применяется для прижима поворотных уплотняющих башмаков к статору, пластины, перемещаясь в щелях ротора, обеспечивают ротору вращательное движение, поворотные уплотняющие башмаки заканчиваются криволинейными выступами постоянной кривизны, герметически скользящими вдоль поперечной дуговой стенки на роторе, при использовании двух пар двухкамерных блоков центры статоров соседних пар расположены по разные стороны общего рабочего вала, сами блоки соседствуют друг с другом камерами «рабочего хода - выпуска», пространство между их соседними неподвижными стенками используется для удаления сгоревшего заряда.
Существенность отличий предлагаемого двигателя связана с максимальным уменьшением числа кинематических звеньев в многокамерном двигателе и обосновывается следующим образом:
- изменение объема в каждой из четырех камер создается вращением одного рабочего вала и малым скользящим поперечным перемещением частей роторов относительно оси этого вала,
- общий рабочий вал и скольжение его части по щели ротора заметно упрощают отбор мощности,
- передача механической энергии и передвижение газового заряда не требуют дополнительных вспомогательных механических звеньев,
- поворотное смещение на валу одного ротора относительно другого ротора на некоторый угол позволяет полностью перегонять предельно сжатый заряд одного блока в увеличивающуюся камеру сгорания другого,
- расположение центров статоров соседних пар двухкамерных блоков по разные стороны общего рабочего вала обеспечивает гашение части усилий от газового давления на рабочий вал с каждой стороны.
На указанных ниже чертежах представлено:
фиг.1 - продольный схематический разрез двигателя (состоящего из одной пары двухкамерных блоков) при горизонтальном положении роторов (уплотняющие башмаки не указаны),
фиг.2 - упрощенная кинематическая схема двухкамерного блока «впуск - сжатие»,
фиг.3 - упрощенная кинематическая схема двухкамерного блока «рабочий ход - выпуск»,
фиг.4 - пространственный разрез части ротора по его малой оси,
фиг.5 - разрез через межкамерную боковую стенку между блоками (в первой боковой стенке отверстие находится слева, в последней - справа),
фиг.6 - продольный разрез двигателя, состоящего из двух пар двухкамерных блоков при горизонтальном положении роторов. Для наглядности зазоры между соприкасающимися поверхностями на чертежах резко увеличены.
Некоторые части роторов допускают полые внутренние пространства с ребрами жесткости, которые не везде указаны.
Двигатель содержит: круговые цилиндрические статоры 1, в которых на одном валу вращаются роторы 2, неподвижные межкамерные стенки (перегородки) 3, общий рабочий вал 4, состоящий из межкамерных цилиндрических частей 5 (в неподвижных стенках 3) и пустотелых (в пределах роторов) частей с приваренными пластинами 6, поворотные уплотняющие башмаки 7, отверстия 8 в неподвижных стенках 3.
Каждый ротор 2 состоит из двух раздвижных частей, которые скользят вдоль большой оси ротора и механически разделены пружиной 9 для прижима уплотняющих башмаков 7 к статору 1. Пластины жесткости 10 обеспечивают при больших давлениях и центробежных силах жесткость ротора.
В каждом блоке с помощью неподвижных стенок 3 между статором 1 и роторами 2 образуются две пары рабочих камер - «впуска - сжатия» заряда (камеры 11 и камера 12) и «рабочего хода - выпуска» (камеры 13 и 14). Пластины 6, приваренные к валу 4, обеспечивают прямолинейное перемещение роторов 2 вдоль своей оси.
Отверстия в неподвижных стенках, эпизодически обеспечивающие связь камер с внешним пространством (впуск свежего заряда и выпуск сгоревшего), здесь не указаны.
Кинематика работы двигателя заключается в следующем. Общий рабочий вал 4 двигателя вращает роторы 2 всех двухкамерных блоков вокруг оси этого вала в круговых статорах 1, которые смещены относительно оси статора. Пружины 9 и центробежная сила прижимают раздвижные части роторов 2 к стенкам статоров и с помощью поворотных башмаков 7 обеспечивают герметичность камер. Приваренные к вращающемуся валу 4 пластины 6, перемещаясь в щелях ротора 2, обеспечивают ротору вращательное движение под действием высокого давления газов в камере «рабочий ход».
Каждая пара двухкамерных блоков двигателя работает следующим образом: поворот и скольжение роторов 2 создают в паре блоков четыре замкнутых рабочих объема (камеры 11, 12, 13, 14), в каждой из которых меняется объем - то увеличивается, то уменьшается. Увеличивающийся объем (например, камеры 11) всасывает свежий заряд, а уменьшающийся объем камеры 12 в этом блоке - сжимает предыдущий заряд. Сжатый заряд (через отверстие 8 в стенке 3) передается в камеру 13, где воспламеняется, создает высокое давление и тем самым крутящий момент. В камере 14 давление падает, и заряд удаляется.
Эпизодическое совмещение неподвижных отверстий 8 с камерами обеспечивает выполнение четырех тактов двигателя внутреннего сгорания: впуск - сжатие - рабочий ход - выпуск. Более конкретно эта цепочка тактов иллюстрируется на примере движения (против часовой стрелки в первой паре двухкамерных блоков).
1. Первый двухкамерный блок (впуск - сжатие заряда).
Вращение ротора 2 увеличивает объем камеры 11, в ней создается разрежение, и за счет совмещения ее с отверстием 8 в левой неподвижной стенке 3 в нее подается свежий заряд. Через некоторый поворот ротора 2 его камера 11 выходит из соединения с отверстием 8, происходит переход заряда в другую камеру 12 (сжатия), объем которой начинает уменьшаться - происходит сжатие (пока отверстие 8 не соединяет камеры).
При должной степени сжатия происходит соединение камеры 12 с камерой 13, и через отверстие 8 сжатый заряд переходит из камеры 12 первого двухкамерного блока во второй двухкамерный блок, в камеру 13 («рабочий ход»).
2. Второй двухкамерный блок («рабочий ход - выпуск»).
В камере 13 происходит накопление давления. Через некоторый поворот достигается нужное давление, заряд поджигается (рабочий ход), ротор 2 вращается, объем увеличивается. Процедура этого поджигания зависит от вида двигателя - у карбюраторных двигателей речь идет об искре, у дизелей - о подаче высоким давлением жидкого топлива через узкие отверстия.
При определенном угле поворота ротора 2 его камера соединяется с не указанным здесь отверстием в неподвижной стенке 3, и заряд удаляется. Таким образом, неподвижные отверстия в эпизодически соединяющихся между собой камерах 12 и 13 переводят сжатый заряд в камеру 13 сгорания, где и происходит рабочий ход двигателя.
Впуск извне свежего заряда в камеру 11 происходит через отверстие 8 во внешней перегородке 3 первого двухкамерного блока, а выход сгоревшего заряда в камере 14 - через отверстие во внешней перегородке 3 второго двухкамерного блока.
Кинематическое объединение двух пар двухкамерных блоков с помощью одного вала 4, но при разностороннем расположении центров статоров 1 относительно друг друга, позволяет уменьшить изгибающий момент по оси вала от сил высокого суммарного давления. Этот момент возникает за счет разнонаправленных сил, действующих на соседние роторы 2 камер сгорания, и создает износ подшипников.
Таким образом, предлагаемый проект учитывает два фактора - прочность и герметичность. Для обеспечения прочности используются ребра жесткости, а для герметичности (при механическом объединении скользящих деталей) - одинаковую кривизну поверхности и центробежную силу вместе с пружиной (для прижима башмаков к стенке ротора). Увеличение длины башмаков позволяет иметь допустимое удельное давление на статор при большом числе оборотов двигателя.
Для лучшего представления о размерах параметров двигателя можно привести следующий пример. Если диаметр статора D=20 см, расстояние е (между центрами вала и статора) равно 3.3 см (т.е. отношение его к радиусу e/R=2e/D=1/3), то максимальное удлинение ротора будет равно
2
Наибольшая площадь камеры будет примерно равна S=D*2e=1.14 дм. При ширине ротора 1 дм объем одной камеры составит, примерно, 1.14 л, а всех четырех камер - примерно 4.5 л.
Двигатель будет иметь один движущийся вал, на котором два ротора будут меняться по длине (под действием пружины) на 1.14 см. Такое малое перемещение роторов и большая площадь скольжения башмаков позволяют иметь очень большое число оборотов. При использовании двух пар двухкамерных блоков габариты двигателя будут примерно в 2 раза больше.
Для примера, 4 поршневых двигателя, эквивалентных по объему камер одному предлагаемому двигателю, будут иметь 4 блока из трех движущихся звеньев (поршень, кривошип и шатун), т.е. всего 12 кинематических звеньев, и несколько звеньев, управляющих подачей топлива в каждом двигателе. Число кинематических звеньев, габариты двигателя и механические потери резко возрастают.
Ранее выпускаемые роторные двигатели Ванкеля имели очень малый поперечный размер площади герметизации (уплотняющей пластины), что требовало сильного прижима. Отсюда возникал большой износ двигателя. В предлагаемом двигателе одинаковая кривизна башмака и поверхности статора резко повышают герметичность и тем самым не требуют сильного нажима. Кроме того, такая большая площадь позволяет уменьшить влияние центробежной силы на процесс истирания поверхностей, т.е. увеличит время работы двигателя.
Предлагаемый роторный двигатель может работать как в режиме искрового зажигания, так и в режиме дизеля.
Источники информации
1. Патент РФ №2242624, F02В 53/08.