РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в энергетическом машиностроении в качестве гидродвигателя, насоса и двигателя внутреннего сгорания на водном и сухопутном транспорте.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания Ф.Ванкеля, содержащий корпус, окна впуска и выпуска, ротор (см. Ротопоршневые двигатели, B.C.Бениович, Г.Д.Апазиди, A.M.Бойко. М.: Машиностроение, 1968 г. с.14-16, 21, 27, 32-33, 36).
Ротор установлен на эксцентриковом валу. Рабочая поверхность корпуса выполнена в виде двух эпитрохоид, напоминающих восьмерку. Трехгранный ротор совершает планетарное движение как относительно своей оси, так и относительно оси вращения вала двигателя. В гранях ротора, в их средней части выполнены камеры сгорания, имеющие в плане вид прямоугольника.
Выполнение рабочей поверхности корпуса в виде двух эпитрохоид определило конструкцию ротора в виде треугольника в плоскости его вращения. Такое сочетание предопределило существенные недостатки рабочей камеры этого двигателя.
Значительная протяженность граней ротора создает растянутость и приплюснутость заряда в рабочей камере в секторе сжатия, сгорания и расширения и тем самым существенно ухудшает сгорание. Перемещение рабочей камеры и существенная разница в плотностях топлива и воздуха вызывает расслоение заряда, в результате его отставания и формирования переобогащенного по составу рабочего заряда в хвостовой части рабочей камеры (см. журнал «Двигателестроение», №9, 1986 г., с.12-14). В головной части рабочей камеры формируется обедненная по составу рабочая смесь, что приводит к существенному увеличению времени сгорания топлива и неполноте сгорания, что, в конечном счете, приводит к существенному снижению топливной экономичности рабочего процесса двигателя.
Протяженность рабочей камеры усложняет выбор оптимального места и формы камеры сгорания на грани ротора. Переобогащенная рабочая смесь, находящаяся в хвостовой части рабочей камеры сгорает лишь в последнюю очередь уже при значительном положении ротора в зоне расширения, что существенно снижает эффективность рабочего процесса и приводит к снижению топливной экономичности двигателя.
Наиболее близким техническим решением является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, окна впуска и выпуска, ротор, рабочую поверхность корпуса (см. а.с. № SU 1237780 A1, F02B 55/00, 1986 г.).
1
2
Рабочая поверхность корпуса выполнена в виде двух равных по / тора секторов, состыкованных с двумя цилиндрическими поверхностями.
Такой контур создает знакопеременные ускорения и силы инерции, что вызывает увеличение давлений на рабочую поверхность корпуса двигателя.
Кроме того, в данном двигателе потенциально снижается степень сжатия, так как выполнение рабочей поверхности корпуса в виде тороидально-цилиндрической, влечет за собой появление вредных объемов между корпусом и поршнем, снижающих эффективность использования как рабочих объемов, так и степени сжатия. Это приводит к снижению надежности, долговечности, топливной экономичности, моторесурса.
Геометрия рабочей поверхности и беговой дорожки требует для обработки дорогостоящих станков с ЧПУ (числовым программным управлением), что существенно усложняет и удорожает технологию изготовления, себестоимость двигателя. Ролики попеременно контактируют с поверхностями внутренней и внешней сторонами беговой дорожки. Это вызывает удары роликов и их износ, что снижает надежность, долговечность и моторесурс двигателя.
Создание роторного двигателя внутреннего сгорания более технологичным в изготовлении, не требующим специального оборудования, более надежным долговечным с повышенным моторесурсом, является задачей, на решение которой направлено данное изобретение.
Сущность изобретения заключается в том, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с рабочей поверхностью, окна впуска и выпуска, ротор, свечи зажигания, торцовые, радиальные и тангенциальные уплотнения, в пазах ротора на осях с роликами, контактирующими с беговыми дорожками, установлены лопатки, рабочая поверхность корпуса выполнена в виде поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора по образующей кривой - эллипсу, ротор выполнен цилиндрическим в лопатках расположены радиальные уплотнения, выполненные в виде П-образных составных подпружиненных пластин, средние части которых имеют вид трапеций, контактирующих с рабочей поверхностью корпуса меньшим основанием, а боковые части П-образных составных пластин контактируют с торцовыми уплотнениями, выполненными в виде, подпружиненных колец, установленных в крышках, тангенциальные уплотнения выполнены в виде пластин, установленных в стенках паза ротора с обеих сторон лопаток.
Такая геометрия рабочей поверхности корпуса обеспечивает плавное изменение центробежной силы, однозначные нагрузки, не вызывающие перекладку роликов лопаток и отталкивание радиальных уплотнений от рабочей поверхности корпуса, а также снижение вредных объемов между корпусом и лопатками. Отсутствие знакопеременных сил инерции обеспечивает бесшумную работу двигателя, надежность и долговечность рабочих сопряжений.
Выполнение радиальных уплотнений в виде П-образных составных подпружиненных пластин, средние части которых имеют вид трапеций, контактирующих с рабочей поверхностью корпуса меньшим основанием, а боковыми частями П-образных подпружиненных пластин - с торцовыми уплотнениями и боковыми поверхностями средней части позволяет в процессе приработки и рабочего износа перераспределять нагрузки на составные части уплотнения, обеспечивая постоянство контактных напряжений, оптимальных по величине. Система всех уплотнений: радиальных, торцовых и тангенциальных, обеспечивает неразрывность контура уплотнения рабочей камеры в процессе работы, а следовательно - необходимый моторесурс двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
фиг.1 изображен общий вид (поперечный разрез) двигателя;
фиг.2 - продольный разрез А-А на фиг.1.
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, имеющий секторы всасывания 2, сжатия 3, расширения 4, выпуска 5, окна впуска 6, выпуска 7, свечи 8 зажигания, ротор 9, расположенный на валу 10. Рабочая поверхность 11 корпуса 1 выполнена в виде поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 9 по образующей кривой - эллипсу. В пазах ротора 9 на осях 12 с роликами 13, контактирующими с беговыми дорожками 14, установлены лопатки 15. В каждой рабочей камере 16, установлены лопатки 15. В каждой рабочей камере 16, образованной цилиндрической поверхностью ротора 9, рабочей поверхностью 11 корпуса 1 и поверхностями лопаток 15 выполнены камеры сгорания 17. В лопатках 15 расположены радиальные уплотнения 18, выполненные в виде П-образных составных пластин, подпружиненных пружинами 19. Средние части 20 П-образных составных пластин, имеют вид трапеций, меньшие основания которых контактируют с рабочей поверхностью 11 корпуса 1. Боковые части 21 П-образных составных пластин контактируют с боковыми поверхностями средней части 20 и с торцовыми уплотнениями, выполненными в виде подпружиненных колец 22 и 23, установленных в крышках 24. Тангенциальные уплотнения выполнены в виде пластин 25, установленных в системах паза ротора 9 с обеих сторон лопаток 15.
Работу роторного двигателя внутреннего сгорания рассмотрим на примере цикла рабочей камеры 16, образованной цилиндрической поверхностью ротора 9, поверхностями лопаток 15 и рабочей поверхностью 11 корпуса 1, выполненной в виде поверхности, образованной движением прямой линии, перпендикулярной плоскости вращения ротора 9 по образующей кривой - эллипсу.
При вращении ротора 9 по часовой стрелке через окно впуска 6 в результате разряжения в рабочую камеру 16 в секторе всасывания 2 поступает топливо-воздушная смесь (ТВС). При дальнейшем вращении ротора 9 и перемещении рабочей камеры 16 в сектор сжатия 3, ТВС сжимается. В процессе сжатия давление и температура ТВС повышается. На электроды свечи 8 зажигания подается напряжение, и возникающая искра воспламеняет сжатую в камере сгорания 17 ТВС, а давление газов передается на лопатки 15. Непрерывность контура рабочей поверхности 11 корпуса 1 улучшает динамику двигателя отсутствием знакопеременных сил инерции, обеспечивает минимальный вредный объем между поверхностями лопаток 15 и рабочей поверхностью 11 корпуса 1 в секторе сжатия 3, а следовательно, лучшее использование рабочего объема, получение возможно максимальной степени сжатия. На валу 10 двигателя создается крутящий момент, который поворачивает ротор 9, рабочая камера 16 перемещается в сектор расширения 4, совершая такт - рабочий ход. Затем, достигнув максимального объема расширения, рабочая камера 16 перемещается в сектор выпуска 5. Уменьшение объема рабочей камеры 16 вытесняет отработанные газы. При сообщении рабочей камеры 16 с окном выпуска 7 происходит выпуск отработавших газов. Таким образом, за один оборот в каждой рабочей камере 16, которых может быть от шести до двадцати четырех, происходит рабочий цикл, состоящий из четырех тактов: такта впуска, такта сжатия, рабочего хода, такта выпуска.
При работе двигателя в радиальных уплотнениях 18, выполненных в виде П-образных составных подпружиненных пластин, средние части 20 которых имеют вид трапеций, контактирующих с рабочей поверхностью 11 корпуса 1 меньшим основанием, а боковыми частями 21 - с торцовыми уплотнениями, происходит перераспределение нагрузок на средние 20 и боковые 21 части, не нарушая целостности контура радиальных уплотнений 18. При более интенсивном износе, например средней части 20 по сравнению с боковыми частями 21, пружина 19 выталкивает среднюю часть 20, которая боковыми поверхностями (трапеции) раздвигает боковые части 21. Таким образом, контактное усилие перераспределяется со средней части 20 на боковые части 21. При более интенсивном износе, например боковых частей 21 радиального уплотнения 18 по сравнению со средней частью 20, усилие пружины 19 перестает передаваться на боковые части 21. Усилие пружины 19 целиком направлено на прижатие средней части 20, которая, начиная изнашиваться быстрее, восстанавливает неразрывность контура радиального уплотнения 18. Тангенциальные уплотнения, выполненные в виде пластин 25, установленных в стенках паза ротора 9 с обеих сторон лопаток 15, торцовые уплотнения, выполненные в виде подпружиненных колец 22 и 23 и радиальные уплотнения 18 обеспечивают герметичность рабочих объемов в течение всего рабочего цикла.
Предложенный роторный двигатель внутреннего сгорания за счет сочетания выполнения рабочей поверхности корпуса, радиальных, торцовых и тангенциальных уплотнений имеет технологичную конструкцию изготовления, не требующую специального оборудования. Обеспечение минимального вредного объема, герметичности рабочих объемов в течение всего рабочего цикла, а также отсутствие знакопеременных сил инерции повышает степень сжатия, топливную экономичность, двигателя, обеспечивает его бесшумную работу, надежность и долговечность рабочих сопряжений, а значит - высокий моторесурс двигателя в целом, высокие удельные мощности и весогабаритные показатели.