РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION 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 обстоятельство существенно уменьшает объем рабочих камер, так как не позволяет заметно увеличивать их ширину.
Задача изобретения - упрощение конструкции роторов с рабочим валом, повышение герметичности, увеличение времени истирания уплотнительных элементов и повышение объема рабочих камер, вследствие чего улучшатся экономические и экологические показатели двигателя и увеличится срок службы. Технический результат - упрощение технологии изготовления двигателя и повышение его долговечности.
Эта цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем пары двухкамерных блоков типа «впуск-сжатие» и «рабочий ход-выпуск», замкнутые переменные объемы в которых образованы круговыми статорами и движущимися в них двухвершинными роторами, перемещение газового заряда (по этим блокам) осуществляется с помощью отверстий в неподвижных боковых стенках и каналов на боковой поверхности роторов, вершины которых герметично состыковываются с поворотными уплотнительными элементами - башмаками, внешний радиус которых равен внутреннему радиусу поверхности статора.
Роторный двигатель имеет общий рабочий вал, кинематически связывающий роторы всех блоков и не совпадающий с центром статора; каждый ротор раздвижной и состоит из двух симметричных раздвижных частей с поворотными уплотняющими башмаками на концах и прямолинейных направляющих, герметично скользящих вдоль продольной оси ротора.
Общий рабочий вал состоит из межкамерных цилиндрических частей и пустотелых (в пределах роторов) частей с приваренными пластинами жесткости, которые, перемещаясь в щелях ротора, обеспечивают ротору вращательное движение.
В каждой паре двухкамерных блоков центры круговых статоров совпадают.
Внутри ротора имеются пружины, прижимающие к статору поворотные уплотняющие башмаки, которые заканчиваются криволинейными выступами постоянной кривизны и герметически скользящие в пазах дуговых стенок роторов.
При использовании двух пар двухкамерных блоков центры их статоров расположены по разные стороны общего рабочего вала; блоки соседствуют друг с другом через отверстие в перегородке между ними (перепуск рабочей смеси из камеры «впуск-сжатие» в камеру «рабочий ход-выпуск» осуществляется в конце такта сжатие); щели роторов соседних блоков (блок «впуск-сжатие» и блок «рабочий ход-выпуск») сжатия заряда и его сгорания повернуты относительно друг друга на некоторый угол.
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 очень малым скользящим перемещением частей роторов относительно этого вала;
- общий рабочий вал и скольжение его направляющей части по щели ротора заметно упрощают отбор мощности;
- передача механической энергии и передвижение смеси заряда не требуют дополнительных вспомогательных механических звеньев;
- смещение на валу одного ротора на некоторый угол относительно другого ротора 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;
- каждый ротор состоит из двух одинаковых пар деталей.
На указанных ниже чертежах представлено:
фиг.1 - продольный схематический разрез двигателя (состоящего из одной пары двухкамерных блоков) при горизонтальном положении роторов (уплотняющие башмаки не показаны);
фиг.2 - упрощенная схема двухкамерного блока «впуск-сжатие»;
фиг.3 - упрощенная 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 увеличены. Многие части роторов допускают полые внутренние пространства с ребрами жесткости, которые не везде указаны.
Двигатель содержит: круговые цилиндрические статоры 1 (фиг.1-3, 5, 6), в которых на одном общем рабочем валу 2 (фиг.1, 4, 6), состоящем из межкамерных цилиндрических частей и пустотелых (в пределах роторов) прямоугольных частей с приваренными к направляющим 8 пластинами жесткости 4 (фиг.1-4, 6), которые обеспечивают при больших давлениях и центробежных силах их прямолинейное перемещение вдоль своей оси и вращение роторов 3 (фиг.1-4, 6); пластины жесткости 4 обеспечивают жесткость ротора 3; поворотные уплотняющие башмаки 5 (фиг.1-3, 6); отверстия 6 (фиг.5) в неподвижных стенках статора 10.
Каждый ротор 3 раздвижной и состоит из двух симметричных раздвижных частей, которые скользят вдоль оси ротора и механически разделены пружиной 7 (фиг.1-3, 6) для прижима уплотняющих башмаков 5 к статору 1.
В каждом блоке между статором 1 и роторами 3 образуется пара рабочих камер - «впуска - сжатия» заряда и «сгорания - выпуска».
Отверстия внутри роторов 3, обеспечивающие связь камер с отверстиями 6 в неподвижных стенках, здесь не указаны.
Кинематика работы двигателя заключается в следующем. На общем рабочем валу 2 двигателя посредством движения топливовоздушной смеси вращаются роторы 3 двухкамерных блоков вокруг оси этого вала в круговых статорах 1, смещенные относительно оси статора на некоторое расстояние е - эксцентриситет (фиг.2, 3). Пружины 7 и центробежная сила прижимают раздвижные части роторов 3 к стенкам статоров и с помощью поворотных башмаков 5 обеспечивают герметичность камер. Приваренные к вращающемуся валу 2 пластины жесткости 4, перемещаясь в щелях ротора 3, обеспечивают ротору вращательное движение под действием высокого давления газов в камере «рабочий ход». (Сдвиг пружины достаточно мал, порядка 0,05 длины ротора).
Каждая пара двухкамерных блоков двигателя работает следующим образом. Поворот и скольжение роторов 3 создают в каждом из блоков по два замкнутых рабочих объема (камеры), каждый (каждая) из которых меняет свой объем - то увеличивается, то уменьшается, и наоборот. Увеличивающийся объем всасывает свежий заряд, а уменьшающийся объем в этом блоке - сжимает этот заряд. Сжатый заряд (через отверстие 6 в стенке статора) передается в другую камеру (во второй блок), где воспламеняется, создает высокое давление и, тем самым, крутящий момент. В следующей камере (выпуск) давление падает, и заряд удаляется через выпускное отверстие. Движение заряда через отверстия 6 в неподвижных стенках имеет всегда одно направление.
Периодическое совмещение камер через неподвижные отверстия 6 обеспечивает выполнение четырех тактов роторного 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).
Дополнительные обозначения: Мк (фиг.1) - крутящий момент роторного двигателя; Vmax, Vmin (фиг.2, 3) - соответственно максимальный и минимальный объемы рабочих камер двигателя.
1. Первый двухкамерный блок («впуск - сжатие заряда»).
Вращением ротора 3 увеличивается объем впускной камеры и в нее подается свежий заряд. Через некоторый поворот ротора 3 его камера выходит из соединения с впускным отверстием, происходит переход заряда в другую камеру (сжатия), объем которой начинает уменьшаться - происходит сжатие рабочей смеси.
При должной степени сжатия ε (в данном случае ε=8,5) происходит соединение камер сжатия и рабочего хода и через отверстие 6 сжатый заряд переходит из камеры сжатия первого двухкамерного блока в камеру рабочего хода второго двухкамерного блока.
2. Второй двухкамерный блок («рабочий ход - выпуск»).
В камере сжатия происходит рост давления. Через некоторый поворот ротора достигается необходимое для процесса сгорания давление, заряд поджигается от свечи зажигания 9 (фиг.3), происходит рабочий такт при резком увеличении объема камеры сгорания. 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 3 его камера соединяется с отверстием 6 неподвижной стенки статора и заряд удаляется. Таким образом, посредством периодического соединения через неподвижные отверстия между собой камер (сжатия и рабочего хода) сжатый заряд перетекает в камеру сгорания, где и происходит рабочий ход двигателя. Впуск свежего заряда в камеру происходит через впускное отверстие в стенке статора 1 первого двухкамерного блока, а выпуск сгоревшего заряда из камеры осуществляется через выпускное отверстие 6 в стенке статора второго двухкамерного блока.
Кинематическое объединение двух пар двухкамерных блоков с помощью общего рабочего вала 2, 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 разно-направленных сил, действующих на соседние роторы 3 камер сгорания, что 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) - одинаковая кривизна поверхности и центробежная сила вместе с пружиной (для прижима башмаков к стенке ротора). Изменение длины уплотняющей части башмаков позволяет иметь допустимое удельное давление на статор при большом числе оборотов двигателя.
e
Для лучшего представления о габаритах двигателя приведем некоторые его размеры (фиг.2, 3). Диаметр статора D=250 мм, расстояние е (между центрами вала и статора) равно 2,8 мм (отношение его к радиусу e/R=2e/D=2/45). Объем всего двигателя будет равен V=2,22 л; ход поршня (башмак с ротором) S=11,3 мм. Эффективная мощность двигателя N=80 кВт при частоте вращения вала n=5000 об/мин. Двигатель двухблоковый (четырехцилиндровый), число цилиндров i=4.
Малое перемещение роторов и большая площадь скольжения башмаков позволяют иметь очень большое число оборотов.
Для примера, четыре поршневых двигателя, эквивалентных по объему камер одному предлагаемому двигателю, будут иметь четыре блока из трех движущихся звеньев (поршень, кривошип и шатун), т.е. всего двенадцать 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 уплотняющей части к стенкам статора. Отсюда возникал большой износ двигателя и, следовательно, малый срок службы.
В предлагаемом двигателе одинаковая кривизна поверхностей и большая площадь герметизации не требуют сильного нажима, и перетекание через соприкосновение поверхностей практически отсутствует. Кроме того, такая большая площадь позволяет уменьшить влияние центробежной силы на процесс истирания поверхностей, т.е. увеличит время работы двигателя (долговечность). Относительный полезный объем камер сгорания по отношению к общим габаритам статора в предлагаемом двигателе больше, чем в двигателе Феликса Ванкеля.
Предлагаемый роторный двигатель может работать как в режиме искрового зажигания, так и в режиме дизеля.
Источник информации
1. Патент РФ N 2242624, F02B 53/08 от 20.12.2004.