Роторный двигатель внутреннего сгорания
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в транспортной и других отраслях техники.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ на изобретение №2527808, опубл. 10.09.2014, бюл. № 25), содержащий корпус с объемом цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, установленный в объеме корпуса полый ротор, выполненный с радиальной лопастью, ориентированной вдоль его оси вращения, совпадающей с продольной осью корпуса, и кольцевыми ребордами, которые делят внутренний объем корпуса на секцию горючей смеси, разделенную радиальной лопастью ротора и разделительной пластиной на объем всасывания и сжатия, и рабочую секцию, разделенную радиальной лопастью и разделительной пластиной на объем расширения и объем выпуска, камеру сжатой горючей смеси и камеру сгорания, расположенные вне объема корпуса и сообщающиеся посредством перепускного устройства, впускной и выпускной каналы. При этом, перепускное устройство выполнено управляемым так, что оно открывается, когда радиальная лопасть еще не вышла за пределы устья выходного канала, что обеспечивает продувку горючей смесью камеры сгорания, а закрытие перепускного устройства происходит, когда радиальная лопасть выходит за пределы устья выходного канала.
К недостаткам аналога роторного двигателя относятся:
- сгорание горючей смеси происходить в условиях не запертой камеры сгорания, что приводит к увеличению удельного расхода топлива;
- наличие кольцевых реборд, требующих уплотнений, что усложняет конструкцию двигателя,
- возникновение неуравновешенных центробежных сил, возникающих от наличия на роторе только одной радиальной лопасти.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ на изобретение № 2253029, опубл. 27.05.2005, бюл. № 15), принятый в качестве прототипа, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытой с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий кулачковые выступы, которые имеют возможность скользить по цилиндрической поверхности статора, подвижные перегородки, поджатые к ротору, камеру сгорания и предкамеру, а также образованные в статоре кулачковыми выступами и перегородками переменные внутренние объемы. При этом предкамера выполнена внутри ротора с отверстием на торцевой стороне ротора, закрываемым торцевой частью статора, а основной камерой является один из переменных внутренних объемов статора, причем на торцевой стороне статора выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, торцевой частью ротора и переменными внутренними объемами статора.
К недостаткам прототипа двигателя относятся: сгорание горючей смеси происходить в условиях не запертой камеры сгорания, что приводит к увеличению удельного расхода топлива; отверстия на торцевой стороне ротора и канавки на торцевой стороне статора усложняют герметизацию и технологию изготовления двигателя.
Изобретение направлено на снижение удельного расхода топлива и увеличение мощности двигателя, снижение температуры стенок камеры сгорания.
Это достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытой с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий кулачковые выступы, которые имеют возможность скользить по цилиндрической поверхности статора, подвижные перегородки, поджатые к ротору, предкамера и камера сгорания, а также образованные в роторе кулачковыми выступами и подвижными перегородками, установленными в статоре, переменные внутренние объемы, представляющие собой камеры впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Предкамера и камера сгорания выполнены на статоре по обе стороны от одной из подвижных перегородок и соединены между собой каналом перепускного клапана, соединенного со штоком с окном, который закреплен на подвижной перегородке. Предкамера сообщается с камерой сжатия через обратный клапан, а камера сгорания сообщается с камерой рабочего хода через сопло, кроме того камера сгорания выполнена с возможностью прохождения изохорного сгорания горючей смеси в условиях запертой камеры сгорания.
Переменные внутренние объемы образуются кулачковыми выступами ротора и подвижными перегородками, установленных в статоре. Система газораспределения состоит из кулачковых выступов ротора, подвижных перегородок, предкамеры с обратным клапаном, камеры сгорания с соплом, перепускного клапана, шток которого закреплен на подвижной перегородке, отверстия для впуска горючей смеси и отверстия для выпуска отработанных газов. Система газораспределения обеспечивает: впуск горючей смеси; ее сжатия в предкамере; продувку камеры сгорания от продуктов сгорания предыдущего рабочего хода; заполнение запертой камеры сгорания горючей смесью под давлением; и, после сгорания горючей смеси, соединение объема камеры сгорания через сопло с камерой рабочего хода, где расширяющийся газ давит на кулачковые выступы ротора, заставляя его совершать рабочий ход; выпуск отработанных газов.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид роторного двигателя внутреннего сгорания, фиг. 2 - двигатель в такте «сжатие», фиг. 3 - двигатель в режиме «продувка камеры сгорания», фиг.4 - двигатель в режиме «заполнение камеры сгорания горючей смесью под давлением», фиг.5 - двигатель в режиме «момент подачи напряжения на свечу зажигания запертой камеры сгорания с сжатой горючей смесью», фиг.6 - двигатель в режиме впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
Предлагаемый двигатель включает в себя статор 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде кругового цилиндра, герметично закрытого с торцов. Внутри статора 1 размещен ротор 2, выполненный с боковой кулачковой поверхностью, например, с двумя кулачковыми выступами 3 и 4, которые имеют возможность скользить по цилиндрической поверхности статора 1, образуя герметичное подвижное соединение. Радиально к цилиндрической поверхности статора 1, на противоположных сторонах, герметично установлены две подвижные перегородки 5 и 6, которые постоянно поджаты к кулачковой поверхности ротора 2 (в том числе при его вращении) с помощью пружин 7 и образуют с поверхностью ротора 2 подвижное герметичное соединение. Торцевые поверхности статора 1 и торцевые поверхности ротора 2 образуют также подвижные герметичные соединения. Кулачковые выступы 3 и 4 ротора 2 и подвижные перегородки 5 и 6 отсекают свободные переменные объемы статора 1: камеру впуска 8, камеру сжатия 9, камеру рабочего хода 10 и камеру выпуска 11. По обе стороны от подвижной перегородки 6, вблизи нее, в статоре 1 выполнены два отверстия 12 и 13. Отверстие 12 - впускное и служит для подвода горючей смеси (или наружного воздуха). Отверстие 13 - выпускное и служит для выпуска отработанных газов. На статоре 1 по обе стороны от подвижной перегородки 5, вдоль нее, выполнены предкамера 14 и камера сгорания 15, которые сообщаются между собой посредством канала 16 перепускного клапана 17. Перепускной клапан 17 соединен со штоком 18, в котором выполнено окно 19. Управляемый шток 18 закреплен на подвижной перегородке 5. Предкамера 14 сообщается с камерой сжатия 9 через обратный клапан 20. Камера сгорания 15 сообщается с камерой рабочего хода 10 через сопло 21. Горючая смесь поджигается свечой зажигания 22, установленной в камере сгорания 15.
Двигатель работает следующим образом. Исходное положение ротора 2 может быть любым. Для примера: кулачковый выступ 3 ротора 2 находится снизу от подвижной перегородки 5. Вращение ротора 2 происходит по часовой стрелке, как показано стрелкой на фиг. 1. При этом ротор 2 плавно, за счет пружин 7, скользить по цилиндрической поверхности статора 1. Рассмотрим такты работы двигателя по мере прохождения газов из одного переменного объема в другой.
1 такт: впуск (для камеры впуска 8). При вращении ротора 2 в переменном (увеличивающемся) объеме камеры 8, образуемом подвижной перегородкой 6 и кулачковым выступом 3 ротора 2, возникает разрежение и через входное отверстие 12 поступает свежая горючая смесь (фиг. 1). Такт заканчивается, когда кулачковый выступ 4 перекрывает входное отверстие 12 (фиг. 6).
2 такт: сжатие (для камеры сжатия 9). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 контактирует с подвижной перегородкой 5, уменьшая объем камеры сжатия 9 и повышая давление в ней (фиг. 1). Камера сжатия 9 через обратный клапан 20 соединена с предкамеры 14, куда и поступает сжимаемая горючая смесь (фиг. 2).
3 такт: рабочий ход (для камеры рабочего хода 10). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 4 открывает выпускное отверстие 13, а кулачковый выступ 3 своим боковым профилем контактирует с подвижной перегородкой 5 и поднимает ее вместе со штоком 18 и окном 19, открывая, тем самым, канал 16 перепускного клапана 17. После чего, сжатая горючая смесь поступает из предкамеры 14 в камеру сгорания 15 и, выходя через сопло 21, осуществляет продувку камеры сгорания 15 от продуктов горения предыдущего рабочего хода через открытое выпускное отверстие 13 (фиг. 3). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 перекрывает сопло 21, прекращая продувку камеры сгорания 15 и, продолжая подавать сжатую горючую смесь из предкамеры 14 в камеру сгорания 15, заполняет ее горючей смесью под давлением (фиг. 4). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 своим боковым профилем начинает контактировать с подвижной перегородкой 5 и опускает ее вместе со штоком 18 и окном 19, закрывая, тем самым, канал 16 перепускного клапана 17, прекращая подачу горючей смеси из предкамеры 14 в камеру сгорания 15. В этот момент на свечу зажигания 22 подается напряжение и происходит изохорный сгорания горючей смеси в условиях запертой камеры сгорания 15 (фиг. 5). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 открывает сопло 21 камеры сгорания 15 и сгоревшие газы под давлением из камеры сгорания 15 через сопло 21 поступают в камеру рабочего хода 10 и давят на кулачковый выступ 3 ротора 2, заставляя его поворачиваться и совершать рабочий ход (фиг. 6).
4 такт: выпуск отработанных газов (для камеры выпуска 11). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 контактирует с подвижной перегородкой 6, уменьшая при перемещении объем камеры выпуска 11 и вытесняя отработанные газы через выпускное отверстие 13 наружу (фиг. 6). Кулачковый выступ 4 ротора 2 контактирует с подвижной перегородкой 6, образуя новый переменный расширяющийся объем (камеру впуска 8), куда через открытое впускное отверстие 12 засасывается новая порция горючей смеси, и цикл из четырех тактов повторяется для кулачкового выступа 4 (фиг. 6). А в тексте 1, 2, 3 и 4 тактов необходимо номера кулачковых выступов 3 и 4 поменять местами.
Предлагаемое изобретение выполняет условия для оптимальной работы роторного двигателя. При вращении ротора 2 кулачковый выступ 3 или 4 своим боковым профилем контактирует с подвижной перегородкой 5 и поднимает ее вместе со штоком 18 и окном 19, открывая, тем самым, канал 16 перепускного клапана 17. После чего, сжатая горючая смесь поступает из предкамеры 14 в камеру сгорания 15 и, выходя через сопло 21, осуществляет продувку камеры сгорания 15 от продуктов горения предыдущего рабочего хода через открытое выпускное отверстие 13. При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 перекрывает сопло 21, прекращая продувку камеры сгорания 15 и, продолжая подавать сжатую горючую смесь из предкамеры 14 в камеру сгорания 15, заполняет ее горючей смесью под давлением. При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 своим боковым профилем начинает контактировать с подвижной перегородкой 5 и опускает ее вместе со штоком 18 и окном 19, закрывая, тем самым, канал 16 перепускного клапана 17, прекращая подачу горючей смеси из предкамеры 14 в камеру сгорания 15. В этот момент на свечу зажигания 22 подается напряжение и происходит изохорный процесс сгорания горючей смеси в условиях запертой камеры сгорания 15, тем самым снижается удельный расход топлива. Обеспечение продувки камеры сгорания 15, позволяет увеличить коэффициент наполнения ее горючей смесью и уменьшить коэффициент находящихся в нейотработанныхгазов, получить некоторое увеличение мощности двигателя за счет увеличения коэффициента наполнениякамеры сгорания 15 горючей смесью, а также снизить температуру стенок камеры сгорания 15 за счет охлаждающего действия поступающей горючей смеси.
Снижение удельного расхода топлива осуществляется за счет того, что процесс сгорания отделен из такта рабочего хода в самостоятельный процесс (такт) в камере сгорания 15 с увеличением времени сгорания горючей смеси в изохорном процессе. Увеличение мощности двигателя происходит путем удаления сгоревших газов из камеры сгорания 15 и подача в нее горючей смеси из предкамеры 14 во время продувки. Снижение температуры стенок камеры сгорания 15 происходит за счет охлаждающего действия горючей смеси во время продувки.
Предлагаемый двигатель может быть выполнен по схеме бензинового с зажиганием от свечи или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с воспламенением от сжатого воздуха (схема дизеля). В этом случае вместо свечи устанавливается форсунка.