УРАВНОВЕШЕННЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
BALANCED ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Для двигателей внутреннего сгорания имеет большое значение хорошая уравновешенность и надежная работа системы газораспределения. И впервые это было достигнуто в роторных двигателях внутреннего сгорания с планетарным движением роторов.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля, работоспособность которого впервые подтверждена в 50-х годах прошлого века, см. рис. 30 «Автомобильные роторно-поршневые двигатели» Н.С. Ханин и С.Б. Чистозвонов. Москва 1964. Этот двигатель очень прост по устройству, так как он имеет только корпус с эпитрохоидной внутренней полостью, в которой размещается трехгранный ротор, сидящий свободно на эксцентрике эксцентрикового вала, а синхронизация их вращения осуществляется с помощью цилиндрических шестерен внутреннего зацепления в соотношении 2:3, при этом большая шестерня с внутренними зубьями жестко закреплена на роторе, а меньшая шестерня с наружными зубьями выполнена заодно с эксцентриковым валом и это обеспечивает вращение последнего в 3-и раза быстрее ротора и в том же направлении. Этот двигатель работает по четырехтактному циклу, как двух цилиндровый поршневой двигатель. В этом двигателе достигается полная уравновешенность ротора и эксцентрикового вала и в нем газораспределение осуществляется при отсутствии клапанной системы, так как открытие и закрытие впускных и выпускных окон, размещенных на корпусе двигателя, осуществляется радиальными уплотнительными пластинами ротора. И поэтому тогда несколько зарубежных стран проявили к нему большое внимание и стали изготовлять, а так же и России его изготавливали в институтах НАМИ и НАТИ и применяли на автомобилях АВТОВАЗа.
Недостатком этого двигателя является то, что радиальные уплотнительные пластины ротора контактируют с внутренней поверхностью корпуса по линии сопряжения, что не обеспечивает надежность уплотнения. И при этом при вращении ротора его радиальные уплотнительные пластины создают большие знакопеременные радиальные силы и поэтому они могут отрываться от внутренней поверхности корпуса и возвращаться на нее с ударами и создавать на ней поперечные борозды, а это приводит к потере рабочего тела и снижению экономичности, а так же к ускорению износа двигателя. Поэтому интерес к этому двигателю пропал, и он стал применяться как в экзотических случаях в Японии на автомобиле ТАЕТА, а России на автомобилях завода АВТОВАЗ.
Известен так же роторный двигатель внутреннего сгорания, который содержит корпус с цилиндрической внутренней полостью, в которой размещается цилиндрический ротор, в котором по диаметру выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, образующее два стыкующихся цилиндра, см. заявку на изобретение №96104761/06. И в стыкующиеся цилиндры помещены сдвоенные поршни, выполненные заодно с жестким соединением, а на цилиндрическом роторе установлено цилиндрическое кольцо ротора и между ним и краями цилиндров установлены уплотнительные металлические пластины, поджимаемые к внутренней поверхности этого кольца гофрированными пружинами и контактирующие с ней по площадкам. И синхронизация вращения эксцентрикового вала и ротора в одном направлении достигается с помощью двух цилиндрических шестерен внутреннего зацепления в соотношении их диаметров 1:2, при этом большая шестерня с внутренними зубьями закреплена жестко на роторе, меньшая шестерня с наружными зубьями выполнена заодно с эксцентриковым валом. При этом ось эксцентрикового вала расположена выше оси ротора и оси внутренней цилиндрической полости корпуса на величину, равную величине эксцентриситета эксцентрика эксцентрикового вала и в этом двигателе не надо применять ползуны. Такой двигатель очень прост по устройству, так как выполнение цилиндров и поршней осуществляется без затруднений и уплотнение между ними надежно осуществляется с помощью цилиндрических компрессионных колец и маслосъемных колец и это обеспечивает высокую надежность уплотнения. Такой двигатель работает по двухтактному циклу как одноцилиндровый двухтактный поршневой двигатель, то есть с числом рабочих тактов как двухцилиндровый 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания. И в этом двигателе достигается полная уравновешенность, так как его сдвоенные поршни совершают планетарное движение - на эксцентрике они вращаются вокруг смещенного центра относительно центра корпуса и еще вращаются на эксцентрике в том же направлении, но медленнее в 2-раза.
Однако этот двигатель требует усовершенствования потому, что в нем шестерни ротора и эксцентрикового вала имеют небольшой диаметр и не могут выдерживать большие нагрузки. А кроме этого на его цилиндрическом роторе установлено цилиндрическое кольцо ротора и это приводит к увеличению массы двигателя. И выполнение выпускных и продувочных окон на торцах цилиндрического ротора значительно снижает наполнение цилиндров и создает нагрузки на торцевые крышки корпуса, и все это приводит к увеличению сил трения и к уменьшению КПД двигателя. А работа двигателя кс числом рабочих тактов как двухцилиндровый 4-тактный поршневой двигатель не обеспечивает равномерность работы двигателя.
Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя, уменьшение его массы, упрощение синхронизации вращения эксцентрикового вала и цилиндрического ротора, повышение нагрузки на вал отбора мощности, улучшение наполнения цилиндров при их продувке воздухом, повышение экономичности и улучшения равномерности работы двигателя.
Поставленная задача решается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический ротор, в котором по диаметру выполнены два сквозных цилиндрических отверстия, развернутых на 90-градусов относительно друг друга и образующих по два стыкующихся цилиндра. И в последних размещаются сдвоенные цилиндрические поршни, которые жестко соединены с ползунами или выполнены с ними заодно. А ползуны снабжены антифрикционными накладками и свободно сидят на эксцентриках эксцентрикового вала, имеющего два эксцентрика развернутых на 180-градусов относительно друг друга и обеспечивающих синхронизацию вращения эксцентрикового вала и цилиндрического ротора в соотношении 2:1 и в одном направлении. При этом камеры сгорания выполнены в виде углублений на головках поршней и свечи зажигания установлены на корпусе двигателя. А выпуск отработанных и продувочных газов происходит через выпускные окна, а продувка и наполнение цилиндров воздухом производится через продувочные окна и все эти окна находятся на внутренней цилиндрической поверхности корпуса и выходят через корпус наружу, где к ним должны присоединяться газовые коллекторы.
На 1 показан продольный разрез двигателя, а
на фиг. 2 - вид А-А фиг. 1.
Уравновешенный роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с цилиндрической поверхностью внутри. И в корпус двигателя помещается цилиндрический ротор 2, в котором по диаметру выполнены два сквозных цилиндрических отверстия под углом-90 градусов друг к другу. И каждое из них образует по два стыкующихся цилиндра: одно образует цилиндры 3 и 3а, а второе образует цилиндры 4 и 4а и ротор 2 имеет торцевые бортики 5 для технологических нужд. И в стыкующихся цилиндрах 3 и 3а размещаются сдвоенные цилиндрические поршни 6 и 7 и так же в других стыкующихся цилиндрах 4 и 4а размещаются сдвоенные цилиндрические поршни 8 и 9. И эти поршни соединены жестко или выполнены заодно с ползунами 10, снабженными антифрикционными накладками 10а, и свободно сидящими на двух эксцентриках 11 и 12, развернутых на 180-градусов относительно друг друга на двух эксцентриковом валу 13. Корпус двигателя 1 закрыт торцевыми крышками 14 и 15 и центры корпуса 1 и цилиндрического ротора 2 совпадает и они имеют общую ось О1 - O1, а ось О2 - О2 эксцентрикового вала 13 проходит выше оси О1 - О1 ротора 2 на величину e1, равную величине эксцентриситетов е2 и е3 эксцентриков 11 и 12 эксцентрикового вала 13. Корпус двигателя 1 закрыт торцевыми крышками 14 и 15, которые имеют по центру O1 - O1 цилиндрические выступы 16 и 17, на которые опирается цилиндрический ротор 2 своими цилиндрическими опорами 18 и 19. Уплотнение между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и поверхностью цилиндрического ротора 2 у краев стыкующихся цилиндров осуществляется с помощью уплотнительных металлических пластин 20, контактирующих по площадкам и поджимаемых к этой поверхности корпуса 1 гофрированными пружинами 21. А последние устанавливаются близко к краю цилиндров и могут располагаться в два ряда в связи с наличием торцевых бортиков 5 на роторе 2. А уплотнение между цилиндрами и поршнями осуществляется с помощью компрессионных цилиндрических колец 22 и маслосъемных колец 23. На корпусе двигателя установлены две свечи зажигания 24 и 25, а на головках поршней выполнены камеры сгорания 26. На корпусе двигателя установлено еще две форсунки 27 для впрыска топлива и в нем выполнены для каждой пары цилиндров выпускные окна 28 и продувочные окна 29. И через первые окна сначала выходят отработанные газы 30, а потом газы 31, смешанные с продувочным воздухом 32, а после перекрытия выпускных окон 28 совершается наддув цилиндров воздухом.
С обеих сторон двигателя на эксцентриковом валу 13 установлены противовесы 33 и 34, уравновешивающих половину груза, прилегающих эксцентриков и сдвоенных поршней, а другую половину груза последние уравновешивают взаимно. Эксцентриковый вал 13 с одного конца имеет шлицы 35 для съема мощности, а с другого конца - шлицы 36 для привода вспомогательных агрегатов. А все подшипники скольжения показаны утолщенной линией 37. Двигатель работает по двухтактному циклу как 2-х цилиндровый 2-тактный поршневой двигатель, то есть с количеством рабочих тактов как 4-тактный 4-х цилиндровый поршневой двигатель внутреннего сгорания. Для упрощения сборки двигателя необходимо выполнять по центру цилиндрического ротора отверстие такого диаметра, чтобы через него свободно проходил эксцентриковый вал 13 с развернутыми на 180 градусов эксцентриками 11 и 12.
На фиг. 2 показано, что в цилиндре 3а произошло полное расширение, но до его приближения к этому положению сначала произошло его сообщение с выпускным окном 28 и стали выходить отработанные газы, обозначенные стрелкой 30 с буквой О, а когда этот цилиндр соединился с продувочным окном 29, то продувочный воздух 32 стал заходить в него по стрелке с буквой В и соединяться в нем с остаточными газами 31, соединяющимися стрелкой с буквой Г и вместе стали двигаться к выпускному окну 28, а когда цилиндр 3а переходит продувочное окно 29, начинается нагнетание в него продувочного воздуха 32 и это улучшает наполнение цилиндра 3а воздухом 32. А когда цилиндр 3а пройдет через продувочное окно 29, то форсункой 27 в него впрыскивается топливо. И при дальнейшем вращении этот цилиндр займет положение цилиндра 3, где в нем поршень 6 будет полностью сжимать рабочее тело и его камера сгорания совпадает со свечей зажигания 24, от искры которой загорается рабочее тело и в цилиндре 3 повышается давление, передающиеся на эксцентрик 11. И так начинает совершаться рабочий такт, вызывающий вращение по стрелке С2 этого эксцентрика вместе с эксцентриковым валом 13, с которым эксцентрики 11 и 12 выполнены заодно. При этом поршень 6 через ползун 10 и его антифрикционную накладку 10а создает боковое давление на стенки цилиндра 3 и вызывает его вращение по стрелке С1 в том же направлении, но медленнее в два раза и вращение цилиндра 3 и поршня 6 выводят стыкующиеся цилиндры 4 и 4а со сдвоенными поршнями 8 и 9 из застойного состояния, так как при одном эксцентрике 12 прекратилось бы их вращение, так как в таком случае ось O4 - O4 эксцентрика 12 совпадает с осью О1 - O1 ротора 2 и невозможно привести их во вращение без приложения силы выше их совмещенных осей и такая сила создается с помощью силы, действующей на ротор 2 и эксцентрик 11 другим ползуном 10 сдвоенных поршней, а именно поршней 3 и 3а.
Из фиг. 2 следует, что цилиндр 3а придет в положение цилиндра 3 через 180-градусов поворота ротора 2 и через 360-градусов поворота эксцентрикового вала 13. А значит то, что цилиндр 4 с поршнем 8 достигнут верхней мертвой точки в момент сгорания в них топлива через 90-градусов поворота ротора 2 и через 180-градусов поворота эксцентрика 12, а значит и эксцентрикового вала 13. Из изложенного следует то, что двигатель работает по двухтактному циклу и каждый рабочий такт в двигателе начинается через 180-градусов поворота эксцентрикового вала, а следовательно, он работает как 2-х цилиндровый 2-х тактный двигатель, то есть по числу рабочих тактов он сравним с 4-х цилиндровым четырехтактным двигателем внутреннего сгорания. При этом ход поршней двигателя, согласно фиг. 1 больше величины эксцентриситетов 11 и 12 в 4-раза или в 4-раза больше величины e1 - величины смещения вверх оси O2 - O2 эксцентрикового вала 13 от оси O1 - О1 цилиндрического ротора 2.
Уравновешенный роторный двигатель внутреннего сгорания с цилиндрами и цилиндрическими поршнями очень прост по устройству и в эксплуатации, поэтому должен получить широкое применение в транспортной технике наземного и воздушного сообщения. И возможно со временем он полностью вытеснит из эксплуатации поршневые двигатели внутреннего сгорания, а так же появляется возможность создания и других роторных двигателей внутреннего сгорания с бесклапанным газораспределением, работающих по шеститактному циклу и по двухтакному циклу, что значительно расширит границы их использования в различных областях техники.