РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ROTARY ICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано на сухопутных, морских и воздушных транспортных средствах.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей поверхностью, ротор, окна впуска и выпуска (см. пат. RU 2118467 C1, МПК 6 F02B 53/00, 1998).
Известный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по пат. RU 2118467 C1 содержит ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями, линейчатая рабочая поверхность выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением , где а - постоянная величина; с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.
Вышеописанный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет сложную геометрию рабочей поверхности, требующую специальных станков с ЧПУ с увеличенными степенями свободы, что влечет за собой высокую стоимость обработки, а следовательно, высокую себестоимость изготовления.
Кроме того, такая геометрия рабочей поверхности не обеспечивает постоянного объема сжатия-сгорания, а значит, исключает возможность осуществлять подвод теплоты по изохоре, а следовательно, имеет низкую топливную экономичность.
Наличие поршней, шарнирно связанных с ползунами в известном двигателе, уменьшает рабочий объем двигателя за счет увеличения ширины ползуна при наличии шарнира, а значит, приводит к уменьшению мощности и ухудшению удельных весогабаритных показателей двигателя.
Создание роторного двигателя внутреннего сгорания с увеличенным рабочим объемом двигателя, с простой геометрией рабочей поверхности, обеспечивая осуществление сгорания при постоянном объеме (по изохоре) при высокой степени сжатия с высокими удельными весогабаритными показателями мощности, топливной экономичности является задачей, на решение которой направлено данное изобретение.
Сущность изобретения (вариант 1) заключается в том, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с рабочей поверхностью, ротор, окна впуска и выпуска, в пазах цилиндрического ротора установлены П-образные лопатки, на осях которых с двух сторон расположены ролики, установленные в беговых дорожках. Рабочая поверхность корпуса выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией беговой дорожки и наружным контуром ротора, а средняя линия беговой дорожки выполнена в виде частей окружностей большого и малого радиусов, сопряженных параллельными прямыми.
Предлагаемый двигатель имеет простую геометрию рабочей поверхности корпуса, не требующую для обработки специальных станков, а следовательно, меньшую трудоемкость, стоимость изготовления и эксплуатации.
z
Выполнение рабочей поверхности корпуса в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией беговой дорожки и наружным контуром ротора, а средняя линия беговой дорожки - в виде частей окружностей большого и малого радиусов, сопряженных параллельными прямыми, обеспечивает совпадение контуров рабочей поверхности корпуса и ротора, образуя сектор постоянного объема сжатия-сгорания с углом α=65°…70°. Это обеспечивает подвод теплоты при V=const (по изохоре), что в свою очередь позволяет, сохраняя высокую топливную экономичность, ограничить максимальную температуру сгорания T≤2100 K…2200 K при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,4…1,8, не снижая существенно мощность двигателя и его удельные мощностные и весогабаритные показатели. Кроме того, это позволяет осуществлять высокоэкологичный рабочий процесс без активации азота, а значит, иметь абсолютно чистый выхлоп по окиси азота с минимальным содержанием окиси углерода согласно норм Евро-5.
Выполнение средней линии беговой дорожки в виде частей окружностей большого и малого радиусов, сопряженных параллельными прямыми для сохранения высокой равномерности вращения ротора и безударного характера взаимодействия сопряжений, требует вращения ротора с частотой ниже 1000 об/мин, что будет обеспечивать высокий крутящий момент двигателя, и, следовательно, высокий тормозной момент при спуске с горы, что чрезвычайно важно для безопасности движения автомобилей и тракторов в горных условиях.
Двигатели такого типа являются тихоходными и высокомоментными. Такие двигатели необходимы для установки на большегрузные автомобили и тракторы, работающие в карьерах. Они могут также использоваться для привода стационарных установок электрогенераторов, компрессоров, насосов, молотилок и т.д.
Сущность изобретения (вариант 2) заключается в том, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с рабочей поверхностью, ротор, окна впуска и выпуска. В пазах цилиндрического ротора установлены П-образные лопатки, на осях которых с двух сторон расположены ролики, установленные в беговых дорожках. Рабочая поверхность корпуса выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией беговой дорожки и наружным контуром ротора, а средняя линия беговой дорожки выполнена в виде эллипса.
Данный двигатель имеет простую геометрию рабочей поверхности корпуса, не требующую для обработки специальных станков, а следовательно, меньшую трудоемкость, стоимость изготовления и эксплуатации.
Выполнение рабочей поверхности корпуса в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией беговой дорожки и наружным контуром ротора, а средняя линия беговой дорожки в виде эллипса обеспечивает совпадение контуров рабочей поверхности корпуса и ротора, образуя сектор постоянного объема сжатия-сгорания с углом α=45°…65°. Это обеспечивает подвод теплоты при V=const (по изохоре), обеспечивая сгорание при высокой степени сжатия и высоких скоростях сгорания 900…1200 м/с. Рабочий диапазон оборотов такого двигателя составляет 1700…3200 об/мин. Непрерывный контур средней линии беговой дорожки обеспечивает высокую равномерность вращения ротора, отсутствие ударов - бесшумную работу двигателя. Такой двигатель имеет высокие удельные мощностные и весогабаритные показатели, а также топливную экономичность. Такие двигатели используются на легковых и средней грузоподъемности автомобилях, а также колесных тракторах, в качестве привода стационарных установок, требующих высокой степени равномерности вращения вала.
Сущность изобретения (вариант 3) заключается в том, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с рабочей поверхностью, ротор, окна впуска и выпуска. В пазах цилиндрического ротора установлены П-образные лопатки, на осях которых с двух сторон расположены ролики, установленные в беговых дорожках. Рабочая поверхность корпуса выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией беговой дорожки и наружным контуром ротора, а средняя линия беговой дорожки выполнена в виде овала Кассини с соотношением , где а - постоянная величина; с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.
Данный двигатель имеет простую геометрию рабочей поверхности корпуса, не требующую для обработки специальных станков, а следовательно, меньшую трудоемкость, стоимость изготовления и эксплуатации.
Выполнение рабочей поверхности корпуса в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией беговой дорожки и наружным контуром ротора, а средняя линия беговой дорожки - в виде овала Кассини с соотношением , где а - постоянная величина; с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.
Такая геометрия рабочей поверхности корпуса обеспечивает совпадение контуров рабочей поверхности корпуса и ротора, образуя сектор постоянного объема сжатия-сгорания с углом α=25°…30°, что в свою очередь создает больший рабочий объем за счет меньшей кривизны рабочего контура (по сравнению с двигателем, где средняя линия беговой дорожки выполнена в виде эллипса) в области максимальных объемов всасывания и расширения.
Данный двигатель при тех же габаритах и оборотах ротора будет иметь большую мощность. Этот двигатель также может использоваться на легковых и средней грузоподъемности автомобилях, а также колесных тракторах.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
фиг.1 - изображен поперечный разрез Б-Б двигателя на фиг.2;
фиг.2 - продольный разрез А-А двигателя на фиг.1;
фиг.3 - геометрия средней линии, выполненная в виде частей окружностей большого (R) и малого (r), сопряженных параллельными прямыми;
фиг.4 - геометрия средней линии беговой дорожки - в виде эллипса;
фиг.5 - геометрия средней линии беговой дорожки - в виде овала Кассини;
фиг.6 - поперечный разрез двигателя с геометрией средней линии беговой дорожки - эллипс;
фиг.7 - поперечный разрез двигателя с геометрией средней линии беговой дорожки - овал Кассини.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (1 вариант, фиг.1, фиг 2, фиг.3) содержит корпус 1, окна впуска 2 и выпуска 3. Внутри корпуса 1 на валу 4 расположен цилиндрический ротор 5, в пазах которого установлены П-образные лопатки 6, на осях 7 которых с двух сторон расположены ролики 8, установленные в беговых дорожках 9. Рабочая поверхность 10 корпуса выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 5 по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора 5 и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией 11 беговой дорожки 9 и наружным контуром ротора 5. Средняя линия 11 беговой дорожки 9 выполнена в виде частей окружностей большего (R) и меньшего (r) радиусов, сопряженных параллельными прямыми. В корпусе 1 между поверхностью ротора 5, рабочей поверхностью 10 корпуса 1 и поверхностями двух П-образных лопаток 6 расположена рабочая камера 12. На корпусе 1 установлена форсунка 13.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (вариант 2, фиг.2, фиг.4, фиг.6) содержит корпус 1, окна впуска 2 и выпуска 3. Внутри корпуса 1 на валу 4 расположен цилиндрический ротор 5, в пазах которого установлены П-образные лопатки 6, на осях 7 которых с двух сторон расположены ролики 8, установленные в беговых дорожках 9. Рабочая поверхность 10 корпуса 1 выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 5 по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией 11 беговой дорожки 9 и наружным контуром ротора 5, а средняя линия беговой дорожки выполнена в виде эллипса.
В корпусе 1 между поверхностью ротора 5, рабочей поверхностью 10 корпуса 1 и поверхностями двух П-образных лопаток 6 расположена рабочая камера 12. На корпусе 1 установлена форсунка 13.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (вариант 3, фиг.2, фиг.5, фиг.7) содержит корпус 1, окна впуска 2 и выпуска 3. Внутри корпуса 1 на валу 4 расположен цилиндрический ротор 5, в пазах которого установлены П-образные лопатки 6, на осях 7 которых с двух сторон расположены ролики 8, установленные в беговых дорожках 9. Рабочая поверхность 10 корпуса 1 выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 5 по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора 5 и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией 11 беговой дорожки 9 и наружным контуром ротора 5. Средняя линия 11 беговой дорожки 9 выполнена в виде овала Кассини с соотношением , где а - постоянная величина; с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов
В корпусе 1 между поверхностью ротора 5, рабочей поверхностью 10 корпуса 1 и поверхностями двух П-образных лопаток 6 расположена рабочая камера 12. На корпусе 1 установлена форсунка 13.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (вариант 1, фиг.1, фиг.2, фиг.3) работает следующим образом. При вращении ротора 5 по часовой стрелке через окно 2 впуска в рабочую камеру 12 поступает свежий воздух. При дальнейшем вращении ротора 5 П-образные лопатки 6 выдвигаются из пазов ротора 5 посредством роликов 8, перемещающихся в беговых дорожках 9 с обеих сторон ротора 5. Центры роликов 8 перемещаются по средней линии 11 беговой дорожки 9, выполненной в виде частей окружностей большого (R) и малого (r) радиусов, сопряженных параллельными прямыми. Двигатели такого типа являются тихоходными (частота вращения ротора 5 ниже 1000 об/мин) и высокомоментными. Рабочая поверхность 10 корпуса 1 выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 5 по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора 5 и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией 11 беговой дорожки 9 и наружным контуром ротора 5. В результате чего происходит наложение контуров рабочей поверхности 10 корпуса 1 и ротора 5, образуя сектора постоянного объема сжатия-сгорания и постоянного объема сжатия-выпуска в пределах угла α=65°…70°. Это обеспечивает подвод теплоты при V=const (по изохоре), с высокой степенью сжатия, полноты сгорания и достижение высоких давлений сгорания. На выступающую часть П-образной лопатки 6 оказывают давление газы. Под действием силы газов относительно центра вращения ротора 5 образуется крутящий момент, вращающий ротор 5 и преодолевающий момент сопротивления на валу 4 ротора 5 двигателя. Рабочая камера 12, достигнув максимального объема при дальнейшем вращении ротора 5, совмещается с выпускным окном 3, через которое с большой скоростью выходят отработавшие газы в атмосферу. Рабочая камера 12 поступает в сектор постоянного объема сжатия-выпуска. В результате совмещения контуров ротора 5 и рабочей поверхности 10 корпуса 1 происходит выталкивание остаточных отработавших газов в окно 3 выпуска, что существенно снижает коэффициент остаточных газов и положительно влияет на процесс сгорания в следующем рабочем цикле. Таким же образом осуществляется рабочий цикл в каждой рабочей камере 12 двигателя. За один оборот ротора 5 осуществляются все рабочие циклы (такты: впуска, сжатия-сгорания, рабочий ход и выпуск) во всех рабочих камерах 12. Таким образом, двигатель является двухтактным по способу осуществления рабочего цикла во всех рабочих камерах 12 двигателя за один оборот и четырехтактным по способу осуществления тактов через каждые 90° поворота ротора 5 (такты: впуска, сжатия-сгорания, рабочий ход и выпуск).
Роторный двигатель внутреннего сгорания (вариант 2, фиг.2, фиг.4, фиг.6) работает следующим образом. При вращении ротора 5 по часовой стрелке через окно 2 впуска в рабочую камеру 12 поступает свежий воздух. При дальнейшем вращении ротора 5 воздух начинает сжиматься в секторе постоянного объема сжатия-сгорания. Через форсунку 13 в рабочую камеру 12 впрыскивается топливо. При дальнейшем максимальном сжатии воздуха и топлива резко возрастает температура рабочей смеси. Топливо проходит период индукции: нагревается, испаряется и, достигнув температуры самовоспламенения, - воспламеняется. При горении топлива резко возрастает давление газов и достигает максимального значения в секторе постоянного объема сжатия-сгорания. При дальнейшем вращении ротора 5 П-образные лопатки 6 выдвигаются из пазов ротора 5 посредством роликов 8, перемещающихся в беговых дорожках 9 с обеих сторон ротора 5. Центры роликов 8 перемещаются по средней линии 11 беговой дорожки 9, выполненной в виде эллипса. Рабочий диапазон оборотов такого двигателя составляет 1700 об/мин…3200 об/мин. Непрерывный контур средней линии 11 беговой дорожки 9 обеспечивает высокую равномерность вращения ротора 5, отсутствие ударов - бесшумную работу. Рабочая поверхность 10 корпуса 1 выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 5 по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией 11 беговой дорожки 9 и наружным контуром ротора 5. В результате чего происходит совпадение контуров рабочей поверхности 10 корпуса 1 и ротора 5, образуя сектора постоянного объема сжатия-сгорания и постоянного объема сжатия-выпуска с углом α=45°…65°. Это обеспечивает подвод теплоты при V=const (по изохоре), с высокой степенью сжатия, полноты сгорания и достижение высоких давлений сгорания. На выступающую часть П-образной лопатки 6 оказывают давление газы. Под действием силы газов относительно центра вращения ротора 5 образуется крутящий момент, вращающий ротор 5 и преодолевающий момент сопротивления на валу 4 ротора 5 двигателя. Рабочая камера 12, достигнув максимального объема при дальнейшем вращении ротора 5, совмещается с выпускным окном 3, через которое с большой скоростью выходят отработавшие газы в атмосферу. Рабочая камера 12 переходит в сектор постоянного объема сжатия-выпуска. В результате совмещения контуров ротора 5 и рабочей поверхности 10 корпуса 1 происходит выталкивание остаточных отработавших газов в окно выпуска 3, что существенно снижает коэффициент остаточных газов и положительно влияет на процесс сгорания в следующем рабочем цикле. Таким же образом осуществляется рабочий цикл в каждой рабочей камере 12 двигателя. За один оборот ротора 5 осуществляются все рабочие циклы (такты: впуска, сжатия-сгорания, рабочий ход и выпуск) во всех рабочих камерах 12. Таким образом, двигатель является двухтактным по способу осуществления рабочего цикла во всех рабочих камерах 12 двигателя за один оборот ротора и четырехтактным по способу осуществления тактов через каждые 90° поворота ротора 5 (такты: впуска, сжатия-сгорания, рабочий, ход и выпуск).
Роторный двигатель внутреннего сгорания (вариант 3, фиг.2, фиг.5, фиг.7) работает следующим образом. При вращении ротора 5 по часовой стрелке через окно 2 впуска в рабочую камеру 12 поступает свежий воздух. При дальнейшем вращении ротора 5 воздух начинает сжиматься в секторе постоянного объема сжатия-сгорания. Через форсунку 13 в рабочую камеру 12 впрыскивается топливо. При дальнейшем максимальном сжатии воздуха и топлива резко возрастает температура рабочей смеси. Топливо проходит период индукции: нагревается, испаряется и, достигнув температуры самовоспламенения, воспламеняется. При горении топлива резко возрастает давление газов и достигает максимального значения в секторе постоянного объема сжатия-сгорания. При дальнейшем вращении ротора 5 П-образные лопатки 6 выдвигаются из пазов ротора 5 посредством роликов 8, перемещающихся в беговых дорожках 9 с обеих сторон ротора 5. Центры роликов 8 перемещаются по средней линии 11 беговой дорожки 9, выполненной в виде овала Кассини с соотношением , где а - постоянная величина; с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.
Непрерывный контур средней линией 11 беговой дорожки 9 обеспечивает высокую равномерность вращения ротора 5, отсутствие ударов и бесшумную работу. Кроме того, при сравнении с двигателями в исполнении вариантов 1 и 2 при равенстве больших и малых осей геометрии рабочих поверхностей корпусов двигателей, рабочий объем двигателя по варианту 3 будет больше на 17%…25% за счет меньшей кривизны геометрии рабочего контура корпуса двигателя в зонах всасывания и расширения.
Выполнение рабочей поверхности корпуса 1 в виде цилиндрической поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 5 по направляющей, образованной вращением отрезка прямой линии, расположенного на луче, исходящем из центра ротора 5 и равным максимальному постоянному расстоянию в радиальном направлении между средней линией 11 беговой дорожки 9 и наружным контуром ротора 5, обеспечивает непрерывность контура рабочей поверхности корпуса 1 двигателя. В результате чего происходит наложение контуров рабочей поверхности 10 корпуса 1 и ротора 5, образуя сектора постоянного объема сжатия-сгорания и постоянного объема сжатия-выпуска с углом α=25°…30°, что обеспечивает подвод теплоты при V=const (по изохоре), с высокой степенью полноты сгорания и достижение высоких давлений сгорания. На выступающую часть П-образной лопатки 6 оказывают давление газы. Под действием силы газов относительно центра вращения ротора 5 образуется крутящий момент, вращающий ротор 5 и преодолевающий момент сопротивления на валу 4 ротора 5 двигателя. Рабочая камера 12, достигнув максимального объема при дальнейшем вращении ротора 5, совмещается с выпускным окном 3, через которое с большой скоростью выходят отработавшие газы в атмосферу. Рабочая камера 12 переходит в сектор постоянного объема сжатия-выпуска. В результате совмещения контуров ротора 5 и рабочей поверхности 10 корпуса 1 происходит выталкивание остаточных отработавших газов в окно 3 выпуска, что существенно снижает коэффициент остаточных газов и положительно влияет на процесс сгорания в следующем рабочем цикле.
Таким же образом осуществляется рабочий цикл в каждой рабочей камере 12 двигателя. За один оборот ротора 5 осуществляются все рабочие циклы (такты: впуска, сжатия-сгорания, рабочий ход и выпуск) во всех рабочих камерах 12. Таким образом, двигатель является двухтактным по способу осуществления рабочего цикла во всех рабочих камерах 12 двигателя за один оборот ротора 5 и четырехтактным по способу осуществления тактов через каждые 90° поворота ротора 5 (такты: впуска, сжатия-сгорания, рабочий ход и выпуск).