РОТОРНО-МАХОВИЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY-FLYWHEEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве привода в различных машинах: энергетических установках, автомобилях, летательных аппаратах, судостроении и других отраслях, связанных с использованием силовых установок.
В настоящее время наряду с традиционными поршневыми двигателями внутреннего сгорания разработаны конструкции роторных двигателей внутреннего сгорания. Принципиальное преимущество роторных двигателей - это отсутствие возвратно-поступательных движений любого типа, а соответственно: постоянных циклических ускорений и знакопеременных инерционных нагрузок на детали двигателя, которые позволяют традиционным поршневым двигателям наращивать мощность при увеличении оборотов вращения своего вала. Кроме того, прямой и непосредственный перевод простого и непрерывного вращения ротора во вращение рабочего вала двигателя не требует применения дополнительных механизмов для преобразования типов движения. В традиционном же поршневом двигателе для этой цели применяется громоздкий, малоэффективный и дорогостоящий кривошипно-шатунный механизм. Как следствие, роторный двигатель имеет непрерывный крутящий момент высокого значения. В поршневых двигателях именно кривошипно-шатунный механизм выдает на рабочий вал крутящий момент, непрерывно пульсирующий от минимального до максимально возможного значения и обратно, что не дает возможность работы поршневых двигателей на малых оборотах. Это обстоятельство в условиях, когда частым эксплуатационным режимом становится холостой ход.
По сравнению с поршневыми двигателями роторный двигатель внутреннего сгорания не нуждается в механизме газораспределения, кривошипно-шатунном механизме и, соответственно, в корпусных объемах для размещения этих систем, а также системах распределения зажигания и глушения выхлопных газов. Следствием этого является повышенная удельная мощность, а также относительная простота в обслуживании и ремонте.
Несмотря на указанные преимущества, роторные двигатели внутреннего сгорания долгое время не оказывают серьёзной конкуренции поршневым. Основными причинами этому являются повышенный удельный расход топлива и частая периодичность замены моторного масла. Тем не менее, обладая существенным потенциалом, ресурсы и возможности роторных двигателей не исчерпаны. При решении некоторых технических проблем использование роторных двигателей является весьма перспективным.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий внутренний элемент круглого сечения, установленный с возможностью вращения для функционирования в качестве ротора двигателя, и концентричный кольцевой наружный элемент, установленный стационарно для функционирования в качестве статора двигателя, причем указанные ротор и статор взаимно расположены таким образом, что внутренняя боковая поверхность статора, по меньшей мере, некоторыми своими участками герметично охватывает указанный ротор и указанные ротор и статор выполнены с возможностью относительного вращения вокруг их общей оси, а статор снабжен, по меньшей мере, двумя камерами сгорания, эквидистантно размещенными по его боковой поверхности и в каждой камере сгорания имеется по меньшей мере одно выпускное отверстие (патент на изобретение РФ №2165537, публ. 20.04.2001, МПК F02C 5/00).
Недостатками известного устройства является пониженная эффективность работы двигателя из-за минимального времени воздействия воспламененных газов на упорные стенки каналов ротора. В двигателе присутствует сложная система подачи топлива в камеры сгорания с дополнительным впрыском воды. Отсутствие системы смазки приводит к быстрому износу трущихся частей и увеличению зазоров между статором и ротором. Наличие горячих выхлопных газов во внутренней полости вызывает перегрев приводного вала и ротора при длительной работе двигателя.
Известен роторно-поршневой двигатель с впрыском топлива, содержащий корпус с внутренней трохоидальной поверхностью и впускным каналом, в котором установлена дроссельная заслонка, форсунку для впрыска топлива, при этом впускной канал выполнен прямоугольного поперечного сечения, заслонка имеет прямоугольное поперечное сечение и расположена непосредственно у трохоидальной поверхности с возможностью возвратно-поступательного перемещения (Патент РФ № 2172851, публ. 27.07.2001, МПК F02B 55/16).
Недостатком указанного двигателя является невозможность обеспечения подготовки топливовоздушной смеси при работе на тяжелом углеводородном топливе (дизельное топливо, керосин) и его запуск. Данный двигатель недолговечен в работе из-за наличия знакопеременных нагрузок, возникающих при возвратно-поступательном движении центра масс ротора, а также сложен в конструкции и нетехнологичен в изготовлении.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, выбранный в качестве прототипа, включающий корпус с размещенными в нем ротором и камерами сгорания, а также системы зажигания, при этом ротор размещен соосно с корпусом и выполнен с радиально расположенными каналами для подвода топливной смеси и воздуха, газоотводными каналами нагрева топливовоздушной смеси и компрессионными планками, расположенными на внешней поверхности ротора, камеры сгорания и смесительные камеры выполнены серповидной формы, причем камеры сгорания первой и последующей ступеней соединены запальными каналами и выполнены с тангенциально расположенными сопловыми отверстиями (Патент РФ на полезную модель №1087, публ. 16.11.1995, МПКF02B 23/00).
Недостатком известного устройства является наличие отверстий в ведомом валу для подачи топлива, что ослабляет его прочностные характеристики, а также сложность подачи топлива через приводной вал. Наличие в роторе большого количества проходных каналов увеличивает сложность изготовления двигателя. В патенте не отражена возможность охлаждения и смазки двигателя, что приводит к перегреву трущихся и уплотнительных элементов во время длительной работы. Кроме того, кольцевое расположение рабочих элементов на образующей поверхности ротора ограничивает число камер сгорания, что вызывает уменьшение циклов движения ротора для придания вращения.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощение конструкции двигателя при улучшении технико-экономических показателей его работы и расширении области применения.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение надежности работы двигателя за счет низкого количества сборочных единиц и отсутствия знакопеременных нагрузок, повышение топливо-экономической эффективности за счет регламентации мощности двигателя при управлении числом контуром камер сгорания или изменения числа пар ротор-статор. Кроме того, предлагаемый двигатель возможно применять в конструкции летательных аппаратов, оснастив его лопастями для создания подъемной силы.
согласно изобретению
Указанные технические результаты достигаются тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем станину, подпорные пружины, приводной вал с шестерней, размещенные на валу ротор и статор, систему подачи топлива, систему охлаждения, систему зажигания, систему смазки, ротор и статор выполнены в виде спаренных параллельных дисков, образующих роторно-статорную пару и прилегающих смежными торцевыми поверхностями, которые являются рабочими плоскостями ротора и статора, при этом на рабочих плоскостях, имеющих зеркальную форму, выполнены сегментные камеры сгорания. Прилегание рабочих плоскостей ротора и статора осуществляется посредством подпорных пружин. Сегментные камеры сгорания выполнены симметрично по окружности рабочих плоскостей ротора и статора с образованием отдельного контура сгорания. Сегментные камеры сгорания имеют конусообразную форму и образованы сегментной полостью, выполненной в роторе, и сегментной полостью, выполненной в статоре, при этом основание конусообразной камеры совпадает с осевым направлением вала. Двигатель может содержать одну и более роторно-статорных пар. Двигатель содержит одну и более отдельных контуров сгорания. Управление мощностью двигателя осуществляется посредством распределения подачи топлива в камеры сгорания отдельных контуров и роторно-статорных пар. Зажигание топливной смеси осуществляется свечами накаливания, установленными в сегментной полости камеры сгорания, которая выполнена в статоре. Ротор и статор могут быть выполнены из металла, а также из керамических или композитных материалов. На торце ротора по окружности могут быть выполнены регулируемые по наклону лопасти, при этом двигатель выполнен без корпуса.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема сдвоенного двухконтурного двигателя с внутренним расположением статоров. На фиг. 2 изображена схема сдвоенного двухконтурного двигателя с внешним расположением статоров. На фиг. 3 представлен общий вид рабочей плоскости двухконтурного статора по разрезу А-А на фиг. 1. На фиг. 4 представлен поперечный разрез статора в сечении Б-Б по фиг. 3. На фиг. 5 приведен поперечный разрез статора в сечении Г-Г по фиг. 3. На фиг. 6 приведен общий вид рабочей плоскости ротора по разрезу В-В фиг. 1. На фиг. 7 представлен поперечный разрез ротора в сечении Д-Д по фиг. 6. На фиг. 8 приведен поперечный разрез ротора в сечении Е-Е по фиг. 6. На фиг. 9 отображена принципиальная схема работы двигателя. На фиг. 10 отображена схема двигателя с роторами, у которых на торцах по окружности прикреплены регулируемые по наклону лопасти.
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит станину 1, на которой жестко установлен статор 2. На приводном валу 3, опирающимся на статор 2 и консоли станины через подшипники 4 (фиг. 2), размещены ротор 5 и приводная шестерня 6 . Для плотного прилегания ротора к поверхности статора на приводном валу установлены подпорные пружины 7. На рабочей плоскости статора выполнены полости сегментных камер сгорания 8 (фиг. 3), отверстия 9 для патрубков выхлопа отработанных газов, радиальные каналы 10 для подачи смазки между статором и ротором, уплотнительные кольцевые пазы 11 и отверстия 12 для подачи топливной смеси. В камерах сгорания статора установлены свечи накаливания постоянного действия 13 (фиг. 4) для зажигания топливной смеси. В секторах между камерами сгорания и выхлопными отверстиями в отверстиях 12 устанавливаются форсунки 14 для подачи топливной смеси. Для опоры приводного вала в статоре установлен центральный подшипник 15. На рабочей плоскости ротора выполнены ответные полости сегментных камер сгорания 16 (фиг. 6ми), по окружности располагаются радиальные выступы 17 для уплотнения между контурами ниже и выше камер сгорания. По оси, в центре ротора, выполнено отверстие со шлицами 18 для сцепления с приводным валом. Двигатель оснащен системой подачи топлива 19 (фиг. 1), системой охлаждения 20, системой подачи смазки 21. На обратной плоскости ротора могут быть устроены вертикальные ребра для увеличения площади охлаждения воздухом.
На торце по окружности ротора могут быть прикреплены регулируемые по наклону лопасти 22 (фиг. 10) для создания подъемной силы, если двигатель будет применен для летательного аппарата (фигура 10). В данном варианте применена схема с внешним расположением статоров. Ведомый вал опирается на подшипники расположенные в конструкции статоров. Также в статорах располагаются системы управления, смазки, охлаждения и запас топлива. В наземном положении двигатель опирается на выдвижные штанги 23.
Роторный двигатель работает следующим образом.
Топливная смесь, имеющая заданные физико-химические параметры, при помощи системы подачи топлива через топливопроводы, присоединенные к отверстиям для подачи топлива и воздуха, подается к форсункам, установленным в статоре. Подача топлива регулируется отдельно на каждый контур и статорно-роторные пары.
Топливо под давлением впрыскивается из форсунок в полость сегментной камеры сгорания на плоскости ротора. При вращении ротора на заданный угол эта полость совмещается с полостью сегментной камеры сгорания статора, в которой установлена свеча накаливания постоянного действия. Топливная смесь, попадая в полость сегментной камеры сгорания статора, воспламеняется с образованием избыточного давления, которое, воздействуя на основание конусообразной камеры сгорания, придает ротору вращательное движение. При дальнейшем вращении ротора полость сегментной камеры сгорания на роторе совмещается с выпускным отверстием в теле статора и, образовавшиеся от горения газы, выбрасываются в выхлопную систему. Удаление отработанных газов производится через выхлопные патрубки и по трубам отводятся в глушитель. Далее цикл работы повторяется в следующем сегменте статора. При низких нагрузках работы двигателя топливо может подавать на минимальное количество контуров сгорания, или подача топлива может полностью прекращена, а вращение приводного вала осуществляется за счет маховой инерции ротора, который является маховиком для накапливания кинетической энергии. На роторе могут располагаться 1-2 и более контуров с камерами сгорания. Сегментные камеры сгорания выполнены конусообразной формы и образованы сегментной полостью, выполненной в роторе, и сегментной полостью, выполненной в статоре, при этом основание конусообразной камеры совпадает с осевым направлением вала. Это обусловлено тем, что основания конусов статора и ротора являются упорными стенками для расширяющихся газов во время воспламенения, и за счет этого создается эффект придания движения ротора относительно статора. Расположение камер сгорания на торцевых поверхностях статора и ротора, имеющих увеличенную площадь поверхности по отношению к площади поверхности образующих, позволяет увеличивать число камер и регламентировать их распределение по рабочей плоскости. Это существенно увеличивает мощность двигателя. Для заявляемого двигателя не требуется корпус, так как статор является опорой для ведомого вала с насаженным на него ротором, что значительно упрощает конструкцию и уменьшает количество сборочных единиц.
Возможен вариант выполнения двигателя без станины с внешним расположением статоров. В таком случае два статора и два ротора в паре должны располагаться горизонтально. Опорой для нижнего статора может служить фундаментное основание или выдвижные телескопические штанги. В верхнем статоре может располагаться блок управления двигателем и запас топлива.
Сдвоенные двигатели в паре ротор-статор возможно выполнить в двух вариантах:
- с внутренним расположением статоров (фиг. 1);
- с внешним расположением статоров (фиг. 2)
Использование предлагаемого двигателя, по сравнению с известными, позволяет значительно повысить технико-экономические показатели его работы при расширении сферы применения, что дает возможность реализовать следующие преимущества:
1. Повысить надежность и долговечность работы двигателя достигается за счет существенно низкого количества деталей при изготовлении (до 9 единиц с одним контуром и одинарной паре статор-ротор).
2. Отсутствие системы регулирования зажигания за счет применения свеч накаливания постоянного действия
3. Отсутствие ударных и изгибающих нагрузок на приводной вал за счет простого вращательного движения ротора, соответственно нет вибрационных колебаний
4. Накопление вращательной энергии за счет маховой инерции ротора позволяет снизить расход топлива при нагрузках
5. Технико-экономическая эффективность заключается в том, что имеется возможность регулирования мощности двигателя за счет расхода топлива при подключении или отключении рабочих контуров и пар статор-ротор.
6. Отсутствие выхлопных газов на холостом ходу, так как топливо на двигатель не подается, а вращение приводного вала осуществляется за счет маховой инерции роторов
7. Возможность изготовления групп статор-ротор из керамических материалов более износостойких и долговечных по сравнению с металлическими.
8. Возможность развивать более высокие обороты вращения приводного вала по сравнению с поршневыми двигателями
9. Мощность двигателя можно повышать за счет увеличения числа контуров камер сгорания (при увеличении диаметра рабочей поверхности статора и ротора) и за счет увеличения числа пар ротор-статор на одном валу.
10. Возможность применять двигатель при работе в автономном режиме в летательном аппарате, если на торце по окружности ротора смонтировать регулируемые по наклону лопасти для создания подъемной силы.
11. Высокая надежность работы двигателя при возникновении неисправностей в случаях перегорания свечей накаливания, засорения топливных форсунок, в отдельных камерах сгорания, отключения отдельных контуров.
12. Отсутствие клапанной и искровых систем при подаче и воспламенении топлива в камерах сгорания.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. из уровня техники не выявлены технические решения с предложенной совокупностью существенных признаков, критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».