СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPERATING ROTARY PISTON ENGINE AND ITS DESIGN

Изобретение относится к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в автомобильной и авиационной промышленности, на тракторах, речных и морских судах, теплоходах, тягачах, различных видах авиационной техники и других машинах.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (см. Вайсбейн М.К. Тепловые двигатели. С-Петербург, 1910 г., С.289), в котором рабочий цилиндр машины заполняют смесью горючего и воздуха в определенной наивыгоднейшей пропорции, сжимают эту смесь возможно сильнее, воспламеняют эту смесь и удаляют из цилиндра продукты горения смеси, чтобы затем возможно было снова заполнить цилиндры смесью воздуха и горючего.
К недостаткам данного способа можно отнести высокие инерционные нагрузки на поршневую группу вследствие наличия «мертвых точек» хода поршня при работе ДВС, а также наличие радиальной силы, передающейся от коленвала через шатун и действующей со стороны поршня на цилиндр, что влечет за собой рост силы трения поршня о цилиндр и, следовательно, интенсифицирует износ цилиндропоршневой группы, а также приводит к снижению ресурса работы ДВС и снижению коэффициента его полезного действия.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. Ханин Н.С. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. - М., 1964 г., с.108), в котором осуществляют вращение ротора, разделяющего рабочие отсеки, а такт впуска горючей смеси в рабочий отсек начинают при его минимальном объеме, соответствующем положению поршня в верхней мертвой точке, и завершают при достижении объема рабочего отсека максимального значения; при дальнейшем вращении ротором перекрывают впускное окно и уменьшают объем рабочего отсека, осуществляя сжатие горючей смеси до положения ротора, соответствующего у поршневого ДВС положению поршня в нижней мертвой точке, при этом горючую смесь поджигают, реализуя такт расширения газов и осуществляя тем самым рабочий ход ротора, после чего осуществляют такт выпуска продуктов сгорания через выпускное окно. Далее цикл повторяется.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся высокие рабочие обороты, приводящие к интенсивному износу уплотнений и напряженному тепловому режиму, а также к необходимости применения сложной системы охлаждения двигателя, в свою очередь требующей высокотехнологичных процессов при изготовлении двигателя; вынужденное присутствие масла в камере сгорания из необходимости смазки мест касания ротором корпуса с дальнейшим сгоранием масла, приводящее к увеличению стоимости топливной смеси, а также снижению экологичности двигателя; сложность уравновешивания центра массы ротора из-за сложности его траектории, что приводит к возникновению нежелательных вибраций в системе; направление движения поверхности, на которую давит газ в роторе, не совпадает с касательной окружности вала вращения, что приводит к повышенному расходу топливной смеси.
Известен роторно-поршневой двигатель Рожицкого (см. Ханин Н.С. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. - М., 1964 г., с.36), в котором овальный ротор осуществляет круговое плоскопараллельное движение в корпусе овального сечения с помощью шарнирного четырехзвенного механизма параллелограммного типа. Камеры разделены заслонками, плоские концы которых скользят по плоским участкам профиля корпуса и одновременно в пазах ротора.
К недостаткам данного двигателя можно отнести невыгодную форму камеры сгорания, большие затраты энергии на перемещение рабочего тела из отсека в отсек при ограниченных сечениях каналов, а также большие конструктивные трудности устройства уплотнений в торцах заслонок.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является роторно-поршневой двигатель Ф.Ванкеля (см. журнал "За рулем", 1970 г., N 12), принятый за прототип. Двигатель имеет поршень-ротор с тремя выступами, который под воздействием специального эксцентрика совершает эпициклическое движение, а также камеры всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа, которые образуются в результате движения ротора относительно внутренней поверхности статора, расположенные каждая в своем секторе по окружности статора, и в каждой камере происходит периодически один и тот же такт. При этом выступы ротора все время контактируют с внутренней поверхностью неподвижного имеющего сложную кривую статора. Внутри ротора имеется зубчатый венец, который обкатывается вокруг шестерни вала и приводит ее во вращательное движение вместе с валом.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что ротор треугольной формы скользит вершинами треугольника по внутренней сложной двухэпитрохоидной поверхности статора со значительным трением, что уменьшает механический КПД; низкие пусковые качества из-за неустойчивой работы двигателя на малых оборотах вала вращения в результате продолжительного сообщения через камеру впускного и выпускного каналов; низкое количество тактов (циклов) на один оборот вала вращения двигателя; повышенный износ кромок ротора вследствие незначительной площади их контакта с корпусом двигателя и связанный с этим малый ресурс работы двигателя; высокая вероятность прорыва сжатой смеси из одной камеры в другую вследствие малоэффективных уплотнений на роторе и трудоемкое выполнение корпуса.
Сущность изобретения заключается в следующем. С целью увеличения ресурса и надежности работы двигателя, а также упрощения его конструкции топливно-воздушную смесь подают в камеру, сжимают, поджигают, смесь сгорает и при расширении продуктов сгорания совершают полезную механическую работу, при этом ротор совершает одновременно качательное и возвратно-поступательное движения, изменяя размер камеры, при этом камеры разделены между собой одним неподвижным и несколькими подвижными флажками. За счет такого движения ротора расположенный внутри него эксцентрик совершает вращательное движение и через выходной вал передает это вращение на исполнительные механизмы. Наличие нескольких камер с происходящими в них аналогичными процессами вокруг одного ротора позволяет совершать эксцентрику и вместе с ним выходному валу непрерывное вращательное движение.
Технический результат - увеличение ресурса и надежности работы ДВС за счет обеспечения герметичности камер, в которых происходят процессы всасывания топливно-воздушной смеси, сжатия, сгорания и выпуска отработанных газов, плоскостными контактами флажков, ротора и баз флажков с крышками, а также за счет самой конструкции, обеспечивающей минимальный износ трущихся поверхностей, и простота изготовления двигателя.
Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого способа достигается тем, что в известном способе работы роторно-поршневого ДВС, включающем впуск горючей смеси в рабочий отсек, сжатие горючей смеси, поджиг горючей смеси, расширение газов, рабочий ход ротора, а также выпуск продуктов сгорания, особенность заключается в том, что ротор совершает одновременно качательное и возвратно-поступательное движения, а указанные движения преобразуют во вращение выходного вала за счет жестко соединенного с выходным валом эксцентрика, имеющего возможность свободного вращения внутри ротора.
Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого устройства достигается тем, что в известном роторно-поршневом ДВС, имеющем поршень-ротор, а также камеры, образующиеся в результате движения ротора внутри корпуса и расположенные каждая в своем секторе по окружности корпуса, в которых происходят процессы всасывания топливно-воздушной смеси, сжатия, сгорания и выпуска отработанных газов, особенность заключается в том, что камеры разделены между собой одним неподвижным и несколькими подвижными флажками, а ротор совершает относительно центра базы неподвижного флажка одновременно качательное и возвратно-поступательное движения, при этом указанные движения преобразуются во вращение выходного вала за счет эксцентрика, установленного и имеющего возможность свободного вращения внутри ротора, а двигатель выполнен двухсекционным, при этом эксцентрики расположены в разных секциях на одном выходном валу и повернуты относительно друг друга на 180°.
На чертеже представлено: на фиг.1 изображен общий вид двигателя; на фиг.2 - вид сверху; на фиг.3 - разрез двигателя; на фиг.4 - принципиальная схема привода клапанов; на фиг.5 - общий вид двухсекционного двигателя.
Двигатель состоит из корпуса 1 с крышками 2, ротора 3, одного неподвижного 4 и нескольких подвижных 5 флажков, баз флажков 6, эксцентрика 7, установленного и имеющего возможность свободного вращения внутри ротора 3, и выходного вала 8. В корпусе установлены клапана впуска 9 топливно-воздушной смеси либо воздуха, топливо в этом случае подается в камеру отдельно и выпуска 10 отработавших газов, а также свечи зажигания 11. Подвод топливно-воздушной смеси к клапанам впуска 9 и отвод отработавших газов от клапанов выпуска 10 осуществляется через патрубки впуска 12 и выпуска 13 соответственно. Привод клапанов расположен в корпусе 14. Корпуса 1 и 14 скреплены с крышками 2 посредством болтов 15. Внутри корпуса 1 установлен ротор 3 оригинальной формы, в пазы которого с образованием рабочих камер установлены один неподвижный 4 и несколько подвижных 5 флажков. Флажки другими концами установлены в базы флажков 6 и совершают в их пазах возвратно-поступательные движения.
Работа роторно-поршневого ДВС осуществляется следующим образом.
Сжатая топливно-воздушная смесь в камере, ограниченной корпусом 1, крышками 2, ротором 3 и двумя соседними флажками, установленными одним концом в ротор 3, а вторым в базы флажков 6, воспламеняется, продукты горения расширяются и совершают полезную работу, давя на ротор 3 и заставляя его совершать качательное и возвратно-поступательное движения относительно центра базы неподвижного флажка 4. Ротор 3 вращает расположенный внутри него эксцентрик 7, а также жестко соединенный с ним выходной вал 8. За счет дальнейшего вращения эксцентрика 7 ротор 3 совершает обратное движение с уменьшением рабочего объема камеры и выдавливает отработанные газы из нее через открывшийся выпускной клапан 10. При дальнейшем движении ротора 3 происходит увеличение объема камеры и через впускной клапан 9 происходит всасывание топливно-воздушной смеси либо воздуха, топливо в этом случае подается в камеру отдельно через не показанную на фиг.3 форсунку. Смесь сжимается при уменьшении объема камеры, обусловленном дальнейшим движением ротора 3, и происходит повтор описанного цикла. Привод клапанов осуществляется с помощью механизма газораспределения, например, как показано на фиг.4, с помощью набора шестерен, при этом клапана впуска 9 и выпуска 10 вращаются с одинаковой скоростью, в два раза меньшей скорости вращения выходного вала 8. Функция смазки двигателя дополнена функцией внутреннего охлаждения и осуществляется через систему масляных каналов.
С целью повышения плавности работы двигателя он может быть выполнен двухсекционным, как показано на фиг.5, при этом эксцентрики расположены в разных секциях на одном выходном валу и повернуты относительно друг друга на 180°.