РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, не содержащим кривошипно-шатунного механизма.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания с трехгранным ротором и статором с внутренней полостью, имеющей эпитрохоидный профиль, и называемый двигателем Ванкеля (Бениович А.С., Апазиди Г.Д., Бойко A.M. Роторно-поршневые двигатели. М.: Машиностроение, 1968, рис.3, стр.12). Недостатками известного двигателя являются сложность, обусловленная требованиями высокой точности изготовления основных частей двигателя, и тяжелые условия работы уплотнений, определяющие невысокий ресурс двигателя. Внутренняя поверхность статора двигателя Ванкеля имеет переменную кривизну, поэтому контакт уплотнений полостей между ротором и статором происходит по одной линии. Эта линия контакта перемещается по внутренней поверхности статора с самой высокой линейной скоростью элементов роторного двигателя, что приводит к повышенному трению и быстрому износу уплотнений.
Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель (Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, патент №2358125, оп 10.06.2009, МПК: F01C F02B), содержащий статор с внутренней эллиптической поверхностью и каналами циркуляции охлаждающей жидкости, цилиндрический ротор, установленный с эксцентриситетом по отношению к внутренней цилиндрической поверхности статора, с радиальными прорезями, в которых размещены скользящие лопасти. Недостатком известного двигателя является сложность, обусловленная эллиптическим профилем внутренней полости статора, имеющим переменную кривизну, что обуславливает контакт скользящей лопасти по внутренней поверхности статора по одной линии. Кроме того, что в линейном контакте трудно обеспечить газовое уплотнение, силы трения, приложенные к линии контакта, вызывают повышенный износ лопасти и внутренней поверхности статора. При линейной скорости лопасти по внутренней поверхности статора, превышающей 15 метров в секунду, лопасти сгорают во входящем потоке топливовоздушной смеси. Повышенный износ основного уплотнения камер сгорания снижает ресурс роторного двигателя до величин, исключающих его практическое применение.
Техническим решением, достигаемым в предлагаемом изобретении, является упрощение конструкции, увеличение ресурса роторного двигателя внутреннего сгорания за счет уменьшения сил трения между вращающимися лопастями и стенкой камеры сгорания и повышение эффективности за счет более надежного уплотнения камер сгорания.
Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор с внутренней цилиндрической поверхностью и каналами циркуляции охлаждающей жидкости, цилиндрический ротор, установленный с эксцентриситетом по отношению к внутренней цилиндрической поверхности статора, с радиальными прорезями, в которых размещены скользящие лопасти, на внешних концах лопастей выполнены шарнирные уплотнения, контактирующие с внутренней цилиндрической поверхностью, свободно вращающейся вокруг оси статора обоймы, в роторе выполнены впускные радиальные каналы, соединяющие камеры, образованные внутренней поверхностью свободно вращающейся обоймы, внешней поверхностью цилиндрического ротора и лопастями, с цилиндрической топливовоздушной полостью, расположенной внутри полого вала, жестко связанного с цилиндрическим ротором, и выпускные радиальные каналы, соединяющие камеры с цилиндрической выпускной полостью, расположенной внутри полого вала, в радиальных впускных и выпускных каналах расположены впускные и выпускные клапаны, положение которых определяется впускными и выпускными кулачками, закрепленными на выходном валу, на полом валу установлена шестерня, которая через промежуточные шестерни, оси которых неподвижно закреплены на статоре, передает вращение выходной шестерне, жестко связанной с выходным валом, в полом валу выполнены сквозные отверстия, соединяющие цилиндрическую топливовоздушную полость с входным каналом, также в полом валу выполнены сквозные отверстия, соединяющие цилиндрическую выпускную полость с выходным каналом, в камерах на цилиндрической поверхности ротора расположены одна или несколько свечей зажигания, соединенных изолированным проводником с сектором регулирования момента зажигания, импульс напряжения на который подается через изолированный от статора канал, на площадке контакта шарнирного уплотнения с обоймой размещены линейные уплотняющие элементы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез двигателя, на фиг.2 изображен продольный разрез двигателя, а на фиг.3 изображена схема, поясняющая уменьшение трения при введении свободно вращающейся обоймы.
Двигатель содержит статор 1 с внутренней цилиндрической поверхностью и каналами 2 циркуляции охлаждающей жидкости, цилиндрический ротор 3, установленный с эксцентриситетом по отношению к внутренней цилиндрической поверхности статора 1, с радиальными прорезями, в которых размещены скользящие лопасти 4, на внешних концах которых размещены шарнирные уплотнения 5, контактирующие со свободно вращающейся вокруг оси внутренней цилиндрической поверхности статора 1 обоймой 6. В роторе 3 выполнены впускные радиальные каналы 7, соединяющие камеры 8, образованные внутренней поверхностью свободно вращающейся обоймы 6, внешней поверхностью цилиндрического ротора 3 и лопастями 4, с цилиндрической топливовоздушной полостью 9, расположенной внутри полого вала 10, жестко связанного с цилиндрическим ротором 3, и выпускные радиальные каналы 11, соединяющие камеры 8 с цилиндрической выпускной полостью 12, расположенной внутри полого вала 10. В радиальных впускных и выпускных каналах 7 и 11 расположены впускные клапаны 13 и выпускные клапаны 14, положение которых определяется впускными кулачками 15 и выпускными кулачками 16, закрепленными на выходном валу 17. На полом валу 10 установлена шестерня 18, которая через промежуточные шестерни 19, оси которых неподвижно закреплены на статоре 1, передает вращение выходной шестерне 20, жестко связанной с выходным валом 17. Параметры шестеренчатой передачи подобраны таким образом, чтобы выходной вал 17 вращался в два раза медленнее полого вала 10. В полом валу 10 выполнены сквозные отверстия 21, соединяющие цилиндрическую топливовоздушную полость 9 с входным каналом 22, также в полом валу 10 выполнены сквозные отверстия 23, соединяющие цилиндрическую выпускную полость 12 с выходным каналом 24. В камерах 8 на цилиндрической поверхности ротора 3 расположены одна или несколько свечей зажигания 25, соединенных изолированным проводником с сектором 26 регулирования момента зажигания, импульс напряжения на который подается через изолированный от статора канал 27. В статоре 1 выполнены каналы 28 для подачи масла, также в роторе 3 выполнены каналы 29 для подачи масла к лопастям 4. На площадке контакта шарнирного уплотнения 5 с обоймой 6 размещены линейные уплотняющие элементы 30 с подводом смазки по каналам 31 внутри лопастей 4 и маслоудалением.
Двигатель работает следующим образом. При вращении ротора 3 камеры 8, образованные внутренней поверхностью свободно вращающейся обоймы 6 и внешней поверхностью цилиндрического ротора 3, изменяют свой объем от минимального, когда камера 8 находится в направлении смещения ротора, до максимального, когда ротор повернется на 180°. Для осуществления четырех традиционных тактов двигателя внутреннего сгорания (всасывание-сжатие-воспламенение-выхлоп) необходимо произвести два оборота ротора 3. На угле поворота ротора, при котором начинается увеличение объема камеры 8, впускной кулачок 15 сдвигает клапан 12, открывая впускной радиальный канал 7 и осуществляя всасывание топливовоздушной смеси через входной канал 22, сквозные отверстия 21 в полом валу 10 и цилиндрическую топливовоздушную полость 9. Через половину оборота ротора 3 впускной кулачок 15 возвращает подпружиненный клапан 12 в закрытое состояние и в последующей половине оборота ротора 3 осуществляется сжатие топливовоздушной смеси. В начале второго оборота ротора 3 через изолированный канал 27, сектор 26 регулирования момента зажигания и изолированный от ротора 3 проводник к свече зажигания 25 подводится высоковольтный импульс, вызывающий воспламенение топливовоздушной смеси в расширяющейся камере 8. В последующую половину оборота ротора 3 осуществляется рабочий ход, после чего выпускной кулачок 16 на выпускной стороне двигателя смещает выпускной клапан 14, открывая выпускной радиальный канал 11, соединяющий камеру 8 с цилиндрической выпускной полостью 12 и выходным каналом 24, через который производится выброс отработанных газов. Для управления впускными и выпускными клапанами с помощью впускных и выпускных кулачков 15 и 16 вращение полого ротора 10 через шестеренчатую передачу, образованную шестернями 18, 19, 20, передается на выходной вал 17 с замедлением, равным числу камер 8 в роторном двигателе, деленному на два. Для четырехкамерного роторного двигателя замедление равно двум. Следовательно, впускные кулачки 15 и выпускные кулачки 16, жестко связанные с выходным валом 17, изменяют положение клапанов одной камеры один раз за два оборота ротора 10, что и необходимо для осуществления четырех тактов двигателя внутреннего сгорания. Описанные процессы со сдвигом на четверть оборота выходного вала 17 происходят во всех остальных камерах 8 роторного двигателя, повторяясь циклически. Таким образом, на один оборот выходного вала 17 приходится четыре рабочих такта, что обеспечивает равномерный крутящий момент.
Для роторных двигателей внутреннего сгорания существует две взаимосвязанные проблемы. Это уплотнение в зоне контакта ротора и статора и трение в этой зоне. Увеличение силы прижатия уплотнения ведет к уменьшению перетечек газов в полостях ротора, но в то же время приводит к возрастанию силы трения и износу уплотняющих элементов. В предлагаемой конструкции это противоречие разрешается введением свободно вращающейся обоймы 6, а также введением шарнирных уплотнений 5. Уменьшение силы трения является следствием уменьшения относительной скорости движения шарнирного уплотнения 5 по поверхности свободно вращающейся обоймы 6 по сравнению с ситуацией, когда шарнирное уплотнение 5 двигалось бы по неподвижной внутренней цилиндрической поверхности статора 3. При полностью вдвинутой в ротор 3 лопасти 4 с шарнирным уплотнением 5 линейная скорость уплотнения 5 определяется как произведение угловой скорости ротора ω на величину радиуса r, а при полностью выдвинутой лопасти с шарнирным уплотнением 5 его линейная скорость определяется как произведение ω·R (Фиг.3). Поскольку шарнирные уплотнения 5 контактируют со свободно вращающейся обоймой 6, она имеет возможность перемещаться относительно шарнирных уплотнений с разностной скоростью ω·(R-r) или ω·ε, где ε - эксцентриситет ротора. Очевидно, что разностная скорость меньше максимальной и минимальной почти на порядок, а поскольку сила трения пропорциональна квадрату скорости, то в результате сила трения уменьшается на два порядка.
Шарнирные уплотнения 5 имеют возможность поворачиваться в пазах лопастей 4, что позволяет сделать поверхность контакта уплотнения с кривизной, равной кривизне внутренней цилиндрической поверхности свободно вращающейся обоймы 6. В результате область уплотнения имеет вид площадки, а не линии, как в известном двигателе Ванкеля. На площадке контакта установлено несколько линейных уплотняющих элементов 30 с подводом смазки и ее удалением. Предлагаемое техническое решение уплотняющих элементов можно осуществить только в предлагаемой конструкции двигателя, имеющего цилиндрическую поверхность скольжения уплотнений.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении роторного двигателя внутреннего сгорания за счет размещения газораспределительного механизма внутри ротора и полого вала достигается упрощение конструкции, введение свободно вращающейся обоймы позволяет снизить трение в уплотнениях, а введение шарнирных уплотнений с уплотняющими элементами позволяет повысить их эффективность. Уменьшение трения и повышение эффективности уплотнений ведут к повышению ресурса двигателя.