РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям, может быть использовано в автомобильной промышленности и машиностроении.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрической внутренней полостью, круговой цилиндрический ротор с лопастями и уплотнительными пластинами, причем лопасти имеют тангенциальные выступы и пазы, в которых установлены уплотнительные пластины, с целью повышения надежности, долговечности и КПД двигателя, а также упрощения конструкции, в нем лопасти в роторе расположены тангенциально, так что их выступы направлены по ходу вращения ротора и имеют внешнюю цилиндрическую поверхность с радиусом, равным по величине радиусу ротора, в роторе выполнены выемки, наружные поверхности которых сопряжены с внутренней поверхностью соответствующей лопасти с возможностью расположения выступов в выемках ротора заподлицо с внешней поверхностью, а корпус выполнен с овалообразным поперечным сечением в виде двух полуокружностей одинакового диаметра, сопряженных прямыми линиями (См. авторское свидетельство №1784068, 5 F02В 53/00, бюл. №47, 1992 г.).
Признаки, совпадающие: содержащий корпус с цилиндрической внутренней полостью, круговой цилиндрический ротор, имеет внешнюю цилиндрическую поверхность с радиусом и уплотнительные элементы.
Причины, препятствующие поставленной задаче: сложность конструкции, обусловленная наличием лопастей, что приводит к дополнительному трению, усложняет конструкцию и снижает надежность, конструктивная сложность корпуса, отсутствие регулировки и настройки снижает эксплуатационные характеристики.
Известна роторная машина, содержащая корпус ротор с подвижными лопастями, размещенный в корпусе с образованием рабочих камер, разделитель и кулачковый механизм перемещения лопастей, с целью расширения области использования путем обеспечения регулирования цикловой производительности машина снабжена кольцевым поршнем с продольным пазом, ротор имеет поперечный кольцевой выступ с радиальными прорезями и размещен в корпусе с образованием между выступом, ротором и корпусом кольцевой полости, лопасти расположены в прорезях с возможностью перемещения вдоль оси ротора, кулачковый механизм установлен с возможностью осевого перемещения и кинематически связан с поршнем, последний расположен в кольцевой полости, а разделитель закреплен с возможностью его ввода в паз поршня, причем рабочие камеры образованы между радиальным выступом, ротором, корпусом и одним из торцов поршня, а между другим его торцом, ротором и корпусом образована камера регулирования, сообщенная с источником переменного давления (См. авторское свидетельство №1618903, 5 F01С 1/16, бюл. №1, 1991 г.).
Признаки, совпадающие: содержит корпус, ротор с образованием рабочих камер, кулачковый механизм.
Причины, препятствующие поставленной задаче: сложность конструкции, обусловленная наличием подвижных лопастей и кинематической связи с кольцевым поршнем, что приводит к дополнительному трению лопастей в пазах при восприятии нагрузок в период сгорания рабочей смеси, наличие поршня и значительных возвратно-поступательных перемещений рабочих звеньев, сложность изготовления, что ухудшает условия монтажа и эксплуатации и снижает надежность.
В качестве прототипа принят известный роторный двигатель внутреннего сгорания (см. пат. RU №2260130, 7 F02B 53/08, F01C 1/332, бюл. №26, 2005 г.), содержащий роторные нагнетательную и расширительные машины, корпус с газораспределительными каналами и цилиндрические полости, рабочий вал и установленные на валу роторы, причем роторы размещены в полостях корпуса эксцентрично с образованием в полостях корпуса рабочих камер сгорания переменного объема, на рабочем валу закреплен маховик, роторы выполнены цилиндрическими и эксцентрично размещены на валу, а сам вал расположен соосно цилиндрической полости корпуса, содержит предварительную камеру сгорания, с возможностью ее замены, а основная камера сгорания образована цилиндрической полостью корпуса, наружной поверхностью ротора и качающимися заслонками, в которых смонтированы уплотнительные пластины и шарниры, посредством последних осуществляется сопряжение с роторами, при этом каждая из камер поступательно является нагнетательной и расширительной по циклу работы, дополнительно содержит внешний эксцентрик, смонтированный на рабочем валу, который взаимодействует с роликом, установленным на оси кронштейна, который закреплен на дополнительно установленном в корпусе валу крепления качающихся заслонок, при этом регулировка зазоров между шарнирами качающихся заслонок и роторами осуществляется посредством кронштейна, регулировочного винта и рычага, а газораспределительные каналы связаны с всасывающими и выхлопными клапанами, приводимыми в действие дополнительно смонтированным в корпусе кулачковым валом, кинематически связанным с рабочим валом.
Признаки совпадающие: роторные нагнетательную и расширительные машины, корпус с газораспределительными каналами и цилиндрические полости, рабочий вал и установленные на валу роторы, причем роторы размещены в полостях корпуса эксцентрично с образованием в полостях корпуса рабочих камер сгорания переменного объема, камера сгорания образована цилиндрической, полостью корпуса, наружной поверхностью ротора и качающимися заслонками, в которых смонтированы уплотнительные пластины и шарниры, посредством последних осуществляется сопряжение с роторами, вал крепления качающихся заслонок.
Причины, препятствующие достижению технического результата: малый ресурс работы, недостаточная надежность уплотнения, что снижает эксплуатационные характеристики и функциональные возможности.
Задачей предложенного изобретения является повышение надежности, повышение динамических характеристик и плавности хода, а также обеспечение удобства регулировки и настройки при эксплуатации.
Технический результат заключается в том, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит шарниры заслонок, выполненные пустотелыми, заслонки выполнены с возможностью ограниченного осевого перемещения на валу крепления качающихся заслонок в корпусе двигателя, при этом с обеих сторон корпуса заслонки установлены втулки с уплотнительными кольцами таким образом, что они одним краем взаимодействуют с корпусом заслонки, а другим - с корпусом двигателя и имеют возможность самоустанавливаться в пределах осевого перемещения заслонки, причем заслонки выполнены облегченными за счет ребер, газораспределительные каналы связаны с всасывающими и выхлопными каналами золотника, приводимого в действие рабочим валом зубчатой передачи, а теплообмен производится также прохождением воздуха по пластинам съемного теплообменника.
Исполнение заслонки с возможностью ограниченного осевого перемещения на валу крепления качающихся заслонок в корпусе двигателя и установка с обеих сторон корпуса заслонки втулок с уплотнительными кольцами, которые одним краем взаимодействуют с корпусом заслонки, а другим - с корпусом двигателя и имеют возможность самоустанавливаться в пределах осевого перемещения заслонки, позволяет обеспечить надежное уплотнение заслонки в корпусе. Размещение уплотнительных пластин в пазах корпуса заслонки параллельно ее оси по контуру сопряжения с камерой сгорания и аналогичное размещение уплотнительных пластин по периметру шарнира дает возможность самоустанавливаться в осевом направлении, а также то, что уплотнительные пластины нижней частью опираются на плоские пружины, обеспечивает работу без вероятности заедания при обеспечении надежного уплотнения.
Для достижения технического результата роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с газораспределительньими каналами и цилиндрические полости, рабочий вал и установленные на валу роторы, причем роторы размещены в полостях корпуса эксцентрично с образованием в полостях корпуса основных камер сгорания переменного объема, при этом на рабочем валу закреплен маховик, роторы выполнены цилиндрическими и эксцентрично размещены на валу, а сам вал расположен соосно цилиндрической полости корпуса, двигатель содержит предварительную камеру сгорания с возможностью ее замены, а основная камера сгорания образована цилиндрической полостью корпуса, наружной поверхностью ротора и качающимися заслонками, в которых смонтированы уплотнительные пластины и шарниры, посредством последних осуществляется сопряжение с роторами, при этом каждая из основных камер сгорания является нагнетательной и расширительной по циклу работы, двигатель дополнительно содержит внешний эксцентрик, смонтированный на рабочем валу, который взаимодействует с роликом, установленным на оси кронштейна, который закреплен на дополнительно установленном в корпусе валу крепления качающихся заслонок, при этом регулировка зазоров между шарнирами качающихся заслонок и роторами осуществляется посредством кронштейна, регулировочного винта и рычага, теплообмен производится прохождением жидкости или воздуха по каналам корпуса, при этом шарниры заслонок выполнены пустотелыми, заслонки выполнены с возможностью ограниченного осевого перемещения на валу крепления качающихся заслонок в корпусе двигателя, при этом с обеих сторон корпуса заслонки установлены втулки с уплотнительными кольцами таким образом, что они одним краем взаимодействуют с корпусом заслонки, а другим - с корпусом двигателя и имеют возможность самоустанавливаться в пределах осевого перемещения заслонки, причем заслонки выполнены облегченными за счет ребер, газораспределительные каналы связаны с всасывающими и выхлопными каналами золотника, приводимого в действие рабочим валом зубчатой передачи, а теплообмен производится также прохождением воздуха по пластинам съемного теплообменника.
Регулировка зазоров между шарнирами качающихся заслонок и роторами осуществляется посредством кронштейна, регулировочного винта и рычага за пределами камер сгорания, что улучшает обеспечение удобства регулировок и эксплуатации, а также каналы, связанные с всасывающими и выхлопными каналами золотникового газораспределения, кинематически связанными с рабочим валом, обеспечивают надежность работы.
Предлагаемый роторный двигатель внутреннего сгорания поясняется чертежами:
фиг.1 - представлен разрез двигателя; фиг.2 - разрез А-А фиг.1 и фиг.3 - разрез Б-Б фиг 2, фиг.4 - разрез Г-Г и фиг.5 - разрез В-В дополнительно поясняют конструкцию и взаимодействие деталей качающейся заслонки 8.
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит роторные нагнетательную и расширительные машины, корпус 1 с газораспределительными каналами и цилиндрические полости 2, рабочий вал 3 и установленные на валу 3 роторы 4, причем роторы 4 размещены в полостях 2 корпуса эксцентрично с образованием в полостях корпуса рабочих камер сгорания 5 переменного объема, на рабочем валу 3 закреплен маховик 10, роторы 4 выполнены цилиндрическими и эксцентрично размещены на валу 3, а сам вал 3 расположен соосно цилиндрической полости 2 корпуса 1, содержит предварительную камеру сгорания 7 с возможностью ее замены, а основная камера сгорания 5 образована цилиндрической полостью 2 корпуса 1, наружной поверхностью ротора 4 и качающимися заслонками 8, в которых смонтированы уплотнительные пластины 9 и пустотелые шарниры 6, состоящие из корпуса 28, уплотнительных пластин торцевых 29, продольных 31, с пластинчатыми пружинами 32, которые прижимают уплотнительные пластины к рабочей поверхности корпуса 1 двигателя к ротору качающихся заслонок 8, а также запрессованной и завальцованой крышки 33. Посредством пустотелых шарниров 6 осуществляется сопряжение с роторами 4, при этом каждая из камер сгорания 5 поступательно является нагнетательной и расширительной по циклу работы, дополнительно содержит внешний эксцентрик 15, смонтированный на рабочем валу, который взаимодействует с роликом 16, установленном на оси 17 кронштейна 20, который закреплен на дополнительно установленном в корпусе 1 валу 11 крепления качающихся заслонок 8, при этом регулировка зазоров между шарнирами 6 качающихся заслонок 8 и роторами 4 осуществляется посредством кронштейна 20, регулировочного винта 18 и рычага 19, а газораспределительные каналы связаны с всасывающими и выхлопными каналами золотникового газораспределения, кинематически связанными с рабочим валом 3. Компрессионные кольца 26 на роторе.
Работа двигателя.
Начало работы (запуск) осуществляют, например, посредством стартера (не показано), при этом осуществляется поворот рабочего вала 3, на котором установлены роторы 4, которые при вращении в соответствующей цилиндрической полости 2 корпуса 1 создают разрежение в камерах сгорания: предварительная камера сгорания 7, назначением которой является первоначальный впрыск топлива с завихряющим горением рабочей смеси с последующим переходом процесса горения в основную камеру сгорания 5, образованную между качающимися заслонками 8, наружными поверхностями роторов 4 и цилиндрической полостью 2 корпуса 1, создает разрежение и производит через всасывающие каналы золотника 23 вращаемого по циклу работы двигателя, всасывание воздуха, который дополнительно подается под давлением нагнетательным устройством (не показано). Затем производится сжатие воздуха, в который производится под давлением впрыск топлива и подается электрическая искра от электронной системы зажигания (не показано).
При горении топлива создается давление, которое воздействует на ротор 4 и создается крутящий момент на рабочем валу 3.
При дальнейшем вращении отработанные газы роторами 4 вытесняются через каналы золотника 23 в коллектор, установленный на корпусе двигателя. Затем цикл каждой камеры повторяется. За два оборота в каждой камере осуществляется полный цикл: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп газов.
Расположение роторов 4 в данной конструкции двухрядное, может быть и более двух роторов. В цилиндрической полости, в которой расположен ротор, число камер три или более.
Равномерность работы по циклу работы двигателя и вращение рабочего вала 3 обеспечиваются маховиком 10 за счет накопления кинетической энергии.
Особенности конструкции и работы двигателя заключаются в том, что качающиеся заслонки 8, размещенные в корпусе 1 двигателя, оснащены шарнирами, посредством которых осуществляется сопряжение заслонки 8 с ротором 4 в процессе его вращения, а уплотнение производится уплотнительными пластинами 9.
Дополнительный внешний эксцентрик 15 закреплен на рабочем валу таким образом, что когда шарниры 6 заслонок 8 сопрягаются с ротором 4 в зоне меньшего эксцентриситета относительно рабочего вала 3, эксцентриситет внешнего эксцентрика 15 максимальный в зоне его контакта с роликом 16, установленным на оси 17 кронштейна 20, который закреплен на дополнительно установленном в корпусе 1 валу 11 крепления качающихся заслонок 8.
При этом регулировка зазоров между шарнирами 6 качающихся заслонок 8 и роторами 4 осуществляется за пределами основных камер сгорания, посредством кронштейнов 20, регулировочного винта 18 и рычага 19.
При дальнейшем вращении рабочего вала 3 контакт между шарнирами 6 заслонок 8 и ротором 4 будет происходить в сторону увеличения эксцентриситета, а между внешним эксцентриком 15 и роликом 16 - с уменьшением эксцентриситета. Это позволяет постоянно поддерживать требуемый зазор между шарнирами 6 качающимися заслонками 8 и роторами 4 в процессе рабочего цикла.
При изменении вида топлива имеется возможность замены предварительной камеры сгорания 7, что позволяет менять степень сжатия, а также в процессе впрыска топлива, горения и расширения газов образуется завихрение с возможностью изменения угла подачи газов в основную камеру сгорания 5 за счет поворота предварительной камеры сгорания 7 в корпусе 1. При необходимости можно легко осуществить ее замену.
Газораспределение осуществляется кинематической связью рабочего вала 3 золотником 23, который при вращении по циклу работы открывает и закрывает всасывающие и выхлопные каналы в корпусе 1 двигателя, которые связаны с камерами сгорания 5.
Вращение золотника 23 производится посредством зубчатой передачи 22. Золотник 23 установлен, например, в подшипниках качения, при этом зазор между золотником и рубашкой 13 должен быть минимальным, а уплотнение обеспечивается встроенными в золотнике 23 уплотнительными пластинами 9 и уплотнительными кольцами. В осевом положении золотник 23 может фиксироваться, например крышками.
Вращающийся золотник 23 с поперечно выполненными всасывающими каналами 21 и выхлопными каналами 12, размещенный в рубашке 13, в соответствии цикла работы двигателя, например, в соответствии с диаграммой работы, распределяет по впускными каналам нагнетающий воздух в камеру сгорания, а по выхлопным каналам осуществляется удаление отработанных газов рабочей смеси из камер сгорания 5. Каналы, выполненные в рубашке 13, совмещаются с каналами корпуса 1 роторного двигателя. Золотниковая рубашка от проворота фиксируется, например болтом 14. Нагнетание воздуха и удаление отработанных газов рабочей смеси осуществляется через коллектор корпуса 1 двигателя.
За четыре такта работы двигателя по циклу золотник 23 производит ½ оборота. Повтор следующих четырех тактов работы двигателя по циклу каналы золотника 23 работают с поворотом на 180°, таким образом, за четыре оборота рабочего вала 3 двигателя золотник 23 производит один оборот. Таким образом, за два оборота рабочего вала 3 осуществляется в одной из камер сгорания четыре такта: первый - нагнетание воздуха; второй - сжатие воздуха; третий - впрыск топлива (жидкого или газообразного) с подачей искры зажигания - осуществляется горение рабочей смеси; четвертый - удаление отработанных газов.
За прототип принят механизм газораспределения фаз роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащий всасывающие и выхлопные клапаны газораспределения, которые взаимодействуют с кулачками распределительного вала посредством подпружиненного штока с компенсатором зазора, причем распределительный вал связан зубчатой передачей с рабочим валом, а рабочий вал посредством закрепленного на нем эксцентрика взаимодействует с роликом, смонтированным в устройстве регулировки рабочего зазора между ротором и заслонками камерах сгорания, и связанного с последними посредством дополнительно введенного вала (см. патент RU 2265731 C1, F01L 1/44, бюл. №34, 2005).
Признаки, совпадающие: содержит зубчатую передачу, рабочий вал, эксцентрик, ротор, заслонки в камерах сгорания, дополнительный вал. Причины, препятствующие поставленной задаче: конструктивная сложность, потребность дополнительной регулировки, что снижает надежность и усложняет обслуживание, особенно в условиях эксплуатации.
По циклу обеспечиваются подача воздуха в камеры сгорания и отвод отработанных газов. Создание компрессии в камерах сгорания 5 осуществляется посредством уплотнительных пластин 9 на заслонках и шарнирах и колец - на роторах и валах, которые обеспечивают прижим к рабочим поверхностям камер сгорания, создавая при этом дополнительную компрессию при работе двигателя.
В данном двигателе может использоваться жидкое и газообразное топливо. Привод узлов и деталей, связанных с обеспечением работы двигателя, производится от рабочего вала 3, на котором, например, смонтировано зубчатое колесо или шкив ременной передачи, нагнетательные машины подачи воздуха и топлива размещены с наружной стороны корпуса 1 двигателя с приводом от приводного вала (не показано). Теплообмен производится за счет каналов 24, в корпус прохождением жидкости или воздуха, а также прохождение воздуха по пластинам съемного теплообменника 25.
Блоки между собой крепятся пустотелыми шпильками 27 - фиг.4, две из них имеют пояски для фиксации блоков, см. фиг.1, по которым тоже может перемещаться жидкость или воздух. Для более интенсивного охлаждения и облегчения качающихся заслонок 8 имеются на них ребра жесткости, а также в заслонки вмонтированы пустотелые самоустанавливающиеся шарниры 6, фиг.4, разрез пустотелого шарнира показан на фиг.5. Пустотелый шарнир 6 в сборе состоит из: корпуса 28 шарнира 6, уплотнительных пластин торцевых 29, пружин торцевых 30, которые прижимают пластины 29 к рабочей поверхности блока корпуса 1 двигателя, пластин уплотнительных продольных 31, пружин продольных 32, которые прижимают пластины к рабочей поверхности блока двигателя, пробки 33, которая запрессована и завальцована в корпус 28 шарнира 6. Уплотнения в деталях, связанных с камерой сгорания, выполнены пластинами с пружинами, которые прижимают пластины к рабочей поверхности, или полукольцами на роторах и на валах.