РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №96106198, Роторный ДВС / А.М.Кармальский. - заявл. 20.06.1998 г.), состоящий из корпуса с эллипсообразной внутренней рабочей поверхностью, впускным и выпускным окнами и установленного внутри цилиндрического ротора с выдвижными лопастями. Перед каждой лопастью на роторе выполнены продольные проточки - камеры сгорания. Дополнительные уплотнительные лопасти, смонтированные на корпусе, прижатые к цилиндрической поверхности ротора, делят внутреннюю полость двигателя на две части.
Недостатками данной конструкции являются низкие надежность и ресурс, экологические и удельные показатели, обусловленные тем, что на всех режимах работы двигателя лопасти находятся в постоянном контакте с рабочими поверхностями под давлением масла, сжатого газа и центробежных сил, что резко увеличивает степень износа лопастей соответственно и контактирующих с ним поверхностей основных деталей двигателя. Они выполнены из металла и имеют сложную зеркальную рабочую поверхность, поэтому практически не подлежат восстановлению. Кроме того, уплотнительные элементы и лопасти на корпусе и на роторе, соударяясь с большой скоростью при вращении ротора, быстро выходят из строя, замена которых требует полной разборки двигателя. Все это значительно снижает надежность и ресурс двигателя. Отсутствие компенсации зазоров между торцами лопастей и крышками корпуса и в пазах ротора снижает герметичность между отсеками, образованными лопастями внутри корпуса, что увеличивает перетечку газов и топливовоздушной смеси, а также увеличивается количество масла, попадающего в камеру сгорания. Помимо этого, двигатель, работая на холостом режиме, сжигает топливо и масло. Все вышесказанное увеличивает количество и токсичность выхлопных газов, удельный расход топлива и масла. Кроме того, для запуска двигателя требуется мощный стартер и аккумулятор, так как процесс сжатия воздуха в камере сгорания создает значительное сопротивление раскручиванию ротора.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ 2178824 F02B 53/14), содержащий корпус, выполненный с овалообразным поперечным сечением, соосно ему расположенный внутри круговой ротор с подвижными лопастями, образующими отсеки в корпусе, и жестко закрепленный к центральной части корпуса золотник, обеспечивающий подачу масла от гидронасоса в камеры под лопастями. На периферии корпуса выполнены попарно впускные и выпускные окна.
Недостатками данной конструкции являются низкие надежность и ресурс, экологические и удельные показатели, обусловленные следующим: при холостом ходе двигателя сжигается топливо и большое количество масла, попадающего под давлением в камеру сгорания с последующим выбросом продуктов горения в атмосферу, кроме того, конструкция лопастей не обеспечивает достаточной герметичности между отсеками и в пазах ротора из-за того, что контакт с поверхностью корпуса происходит в одной плоскости, причем по овальной поверхности корпуса контакт по линии из-за переменного угла подхода лопастей к овальной поверхности корпуса, а по торцам лопастей и в пазах ротора нет компенсации зазора, который увеличивается вследствие износа контактирующих поверхностей. Все это приводит к перетечке части сжатых газов между отсеками и увеличению количества масла, попадающего в камеры сгорания, что значительно повышает удельный расход топлива и масла и снижает удельную мощность двигателя. Кроме того, наличие двух камер сгорания, соответственно парных окон впуска и выпуска сокращает количество и продолжительность газораспределения, ухудшая работу двигателя. Лопасти, находясь в постоянном контакте с рабочей поверхностью корпуса и пазами ротора под давлением масла, газов и центробежных сил, быстро выходят из строя и повреждают контактирующие с ним поверхности основных металлических деталей двигателя, имеющих сложную конфигурацию, поэтому не подлежащих восстановлению. В связи с этим ресурс ныне существующих роторных двигателей менее 300000 километров пробега, после чего двигатель практически подлежит замене.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение ресурса и надежности двигателя, снижение удельного расхода топлива и масла, снижение токсичности и количества выхлопных газов.
Технический результат достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами и овальной внутренней рабочей поверхностью, ротор с выдвижными рабочими лопастями, образующими четыре отсека в корпусе и подлопастные камеры, связанный с ним источник сжатого воздуха, топливную форсунку и турбонагнетатель, снабжен электропневматической системой выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, выполненной из электропневматического золотника, сообщающего воздуховодами источник сжатого воздуха с подлопастными камерами ротора, а на боковых поверхностях пазов ротора выполнены углубления, в которых смонтированы подпружиненные колодки, образующие камеры, сообщенные в свою очередь воздуховодами с золотником, лопасти выполнены в виде пакета подвижных друг относительно друга пластин, на корпусе между впускным и выпускным окнами выполнено дополнительное окно со съемной крышкой.
Технический результат достигается еще и тем, что слоев пластин в пакете не менее трех, причем средняя пластина выполнена с двусторонними прямоугольными выступами по середине, а по обе стороны от нее по две подпружиненных относительно выступов профилированных пластины, выполненных П-образной формы.
Технический результат достигается еще и тем, что между цилиндрической поверхностью ротора и овальной поверхностью статора выполнен минимальный зазор, равный толщине профилированной пластины.
Технический результат достигается еще и тем, что форсунка смонтирована на корпусе двигателя таким образом, чтобы обеспечить впрыск топлива перед началом такта сжатия воздуха.
Технический результат достигается еще и тем, что колодки и пластины лопастей выполнены из композитного материала на основе графита.
Использование композитного материала, обладающего высокой прочностью, теплостойкостью, низкой массой и хорошими антифрикционными свойствами, позволяет, в отличие от аналога, исключить использование масла как смазочного материала, а также выдерживать высокие нагрузки, создаваемые давлением газов, центробежными силами и силами трения, не вызывая износа рабочих поверхностей корпуса.
Наличие минимального зазора между цилиндрической поверхностью ротора и овальной поверхностью корпуса, равного толщине одной профилированной пластины, исключает поломку всех лопастей при поломке одной пластины.
Наличие подпружиненных колодок и лабиринта образованного П-образными пластинами и прямоугольными выступами уплотняет и фиксирует лопасти в пазах ротора, а изготовление лопастей в виде пакета пластин как минимум трех слоев и наличие, в том числе, подпружиненных профилированных пластин, прижатых к крышкам корпуса, обеспечивает прилегание лопастей к рабочим поверхностям корпуса как минимум по трем параллельным плоскостям, обеспечивая высокую герметичность между отсеками, что резко снижает потери топливно-воздушной смеси и рабочего газа. Наличие дополнительного окна с крышкой на корпусе, где нет давления газов, обеспечивает быструю замену изношенных лопастей и колодок без полной разборки двигателя. Кроме того, турбонагнетатель и лопасти, выступающие из пазов ротора на величину зазора, обеспечивают хорошую продувку и охлаждение внутренней полости двигателя. Все вышесказанное повышает ресурс и надежность двигателя.
Электропневматическая система выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, состоящая из электропневматического золотника, сообщающего подлопастные и подколодочные камеры попеременно с источником сжатого воздуха, обеспечивает надежное прижатие лопастей к овальной поверхности корпуса при рабочем ходе двигателя или фиксирует их в убранном положении, зажимая колодками при холостом ходе двигателя. В отличие от аналога, при холостом ходе двигателя топливо не подается и лопасти находятся в убранном положении, ротор вращается в свободном состоянии по инерции, накапливая энергию торможения двигателем, которая используется для последующего движения или повторного запуска двигателя в период выбега ротора. Топливная форсунка позволяет подавать строго дозированную порцию топлива для объема воздуха, заключенного в отсек всасывания, образованный двумя соседними лопастями в корпусе за впускным окном. Все это снижает износ лопастей, сокращает удельный расход топлива и выброс токсичных газов. Кроме того, запуск двигателя требует менее мощный стартер и аккумулятор, так как ротор раскручивается в свободном состоянии с убранными лопастями.
На фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания. На фиг.2 - пневматическая схема соединения источника сжатого воздуха с подлопастными и подколодочными камерами посредством золотника, а на фиг.3 - лопасть в плане.
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с крышками 2, соосно расположенный внутри цилиндрический ротор 3, электропневматический золотник 4, сообщенный с источником 5 сжатого воздуха. Корпус 1 выполнен с овалообразной внутренней рабочей поверхностью, впускным окном 6, выпускным окном 7 и дополнительным окном 8 со съемной крышкой 9.
В пазах ротора 3 установлены лопасти 10, которые состоят из средней пластины 11 с двухсторонними прямоугольными выступами 12 по центру и имеют по две подпружиненные пружиной 13 относительно выступов 12 профилированных пластины 14, расположенных по обе стороны от пластины 11. На боковых поверхностях пазов ротора 3 выполнены углубления 15, где смонтированы колодки 16, подпружиненные пружиной 17. В углублениях 15 колодки 16 образуют подколодочные камеры 18, сообщенные воздуховодами 19 с золотником 4. Лопасти 10 в пазах ротора 3 образуют подлопастные камеры 20, сообщенные в свою очередь воздуховодами 21 с золотником 4. На корпусе 1 смонтирована топливная форсунка 22. Колодки 16 и лопасти 10 выполнены из композитных материалов на основе графита. Цилиндрическая поверхность ротора и овальная поверхность корпуса выполнены с минимальным зазором «в».
Роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
При вращении ротора 3 относительно корпуса 1 лопасти 10 в убранном положении и зажаты колодками 16 под действием пружин 17 и сжатого воздуха, подающегося от источника 5 через, находящийся в правом крайнем положении, электропневматический золотник 4 по воздуховодам 19 в подколодочную камеру 18. При этом подлопастная камера 20 сообщена с атмосферой через воздуховод 21 и золотник 4. Ротор 3 вращается в свободном состоянии с убранными лопастями 10. После раскрутки ротора 3 производится запуск двигателя.
Во время запуска сжатый воздух от источника 5 через находящийся в левом крайнем положении золотник 4 по воздуховодам 21 подается в подлопастные камеры 20, прижимая лопасти 10 к овальной поверхности, а из подколодочных камер 18 по воздуховодам 19 и золотник 4 сбрасывается в атмосферу. Профилированные пластины 14 под действием пружин 13 прижаты к крышкам 2 корпуса 1. Уплотнение лопастей 10 в пазах ротора 3 обеспечивается за счет колодок 16, подпружиненных пружиной 17, и за счет лабиринта, образованного прямоугольными выступами 12 на средней пластине 11 и П-образных профилированных пластин 14. Кроме того, выступы 12 удерживают пластины 14 в радиальном направлении, обеспечивая уплотнение как минимум по 3 плоскостям пластин 11, 14 в лопастях 10 и корпуса 1. Ротор 3, вращаясь, получает сжатый воздух от турбонагнетателя через впускное окно 6. Перед началом такта сжатия через форсунку 22 впрыскивается топливо, и образовавшаяся топливовоздушная смесь, сжимаясь, перемещается в отсек сгорания с последующим воспламенением. Создавшееся давление давит на лопасти 10 и вращает ротор 3 с последующим выхлопом через выпускное окно 7. Цикл, повторяясь, раскручивает ротор 3, а выхлопные газы, в свою очередь, раскручивают турбонагнетатель. На холостых оборотах золотник 4 занимает исходное положение, и ротор 3 с зафиксированными в пазах в убранном положении лопастями 10 вращается, как маховик, по инерции. При торможении двигателем ротор 3 раскручивается, накапливая энергию торможения, которая используется на последующее движение или повторный запуск двигателя в период выбега ротора. Все это происходит без касания лопастей 10 овальной рабочей поверхности корпуса 1 и расхода топлива.
Дополнительное окно 8 с крышкой 9 обеспечивает быструю замену изношенных лопастей и колодок, что не требует разборки двигателя, а зазор «в» исключает поломку всех лопастей при поломке одной пластины. Кроме того, турбонагнетатель и лопасти, выступающие на размер «в», обеспечивают продувку и охлаждение внутренней полости двигателя.
Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания представляет собой роторно-маховичный гибридный двигатель, в котором маховиком, накапливающим энергию наката и торможения двигателем с последующим возвратом, является ротор с убранными лопастями.
Отсутствие масла во внутренней полости между цилиндрической поверхностью ротора и корпусом, использование инерции вращения ротора, исключение сжигания масла и топлива, а также продувка отсеков при холостом ходе двигателя резко снижают количество и токсичность выхлопных газов и значительно повышают экологические и удельные показатели двигателя. Изобретение позволяет повысить ресурс и надежность двигателя, значительно снизить удельный расход топлива и масла и может быть использовано в автомобильной, судостроительной и авиационной промышленности.