РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ
ROTOR DIRECT-ACTION ICE

Изобретение относится к области энергетики, а точнее - к двигателям внутреннего сгорания.
Известны четырехтактные поршневые двигатели внутреннего сгорания, состоящие из блока цилиндров с головками цилиндров, поршней, кривошипно-шатунного механизма, преобразующего поступательное движение поршня, совершаемое под действием расширяющихся при сгорании горючей смеси газов во вращательное движение коленчатого вала, систем газораспределения с клапанами, топливоподачи, смазки (см., например, книгу «Автомобильные двигатели» под общей редакцией Ховаха М.С., издательства «Машиностроение», 1967).
Однако поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют низкий КПД, сложны и материалоемки из-за наличия механизма преобразования одного вида движения в другой, сложной системы газораспределения, большого количества сложных узлов и деталей.
Известны более совершенные роторно-поршневые двигатели Ванкеля, состоящие из ротора в виде равностороннего треугольника, размещенного внутри цилиндра, внутренний профиль которого выполнен по эпитрохоиде. Ротор соединен жестко с зубчатым колесом внутреннего зацепления и установлен так, что может вращаться на эксцентриковом валу, а зубчатое колесо вместе с ротором обкатывается вокруг неподвижной шестерни, при этом грани ротора, скользя по внутренней поверхности цилиндра, образуют камеры переменного объема, в которых одновременно происходят все такты цикла. Такая схема двигателя значительно упрощает его конструкцию, сокращает количество узлов и деталей по сравнению с поршневыми ДВС (см. словарь справочник по механизмам А.Ф.Крайнева, стр.40, издательства «Машиностроение», 1987).
Однако двигатели такой конструкции не получили широкого распространения, потому что в ней также, как и в поршневых двигателях, используется кривошип (эксцентриковый вал) для преобразования поступательного движения ротора во вращательное эксцентрикового вала, что приводит к большим потерям мощности, а также ограничивает величину плеча приложения крутящего момента. Кроме того, здесь невозможно получить надежное уплотнение между камерами переменного объема из-за постоянно меняющегося положения уплотнительных пластин на вершинах ротора относительно внутренней поверхности цилиндра, что ограничивает величину степени сжатия и давления рабочего хода. К тому же достаточно сложен механизм согласования движения ротора на эксцентриковом валу и самого эксцентрикового вала.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий ротор в виде смещенных относительно друг друга по диаметру кулачков с профилем в виде дуги окружности с одной и плоскости с другой стороны, жестко соединенный с валом, цилиндрический корпус с направляющими отверстиями для ползунов прямоугольного сечения, крышки корпуса двигателя, ползуны с поворотным башмаком, пружины возврата ползунов, при этом четыре полости переменного объема двигателя размещены между ползунами, кулачками ротора и корпусом двигателя (см. патент US 5681157 А, F02B 53/08, 1997, 17 стр.).
Целью настоящего изобретения является повышение КПД и технологичности двигателя, упрощение его конструкции, снижение металлоемкости, получение возможности создавать двигатели в широком диапазоне мощностей, в т.ч большой мощности при сравнительно малых габаритах.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции двигателя расширяющиеся при сгорании горючей смеси газы воздействуют непосредственно на кулачки ротора, заставляя его и жестко соединенный с ним вал вращаться, а все четыре такта цикла происходят одновременно, что дает при, например, двухкулачковом роторе и двух ползунах - два рабочих хода за один оборот вала ротора, заменяя классический четырехцилиндровый четырехтактный двигатель.
Таким образом, согласно изобретению роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий ротор в виде смещенных относительно друг друга по диаметру кулачков с профилем в виде дуги окружности с одной и плоскости с другой стороны, жестко соединенный с валом, цилиндрический корпус с направляющими отверстиями для ползунов прямоугольного сечения, крышки корпуса двигателя, ползуны с поворотным башмаком, пружины возврата ползунов, при этом четыре полости переменного объема двигателя размещены между ползунами, кулачками ротора и корпусом двигателя, отличается тем, что ротор выполнен в виде двух или нескольких пар кулачков, крышка корпуса двигателя выполнена с камерой сгорания, ползуны с поворотным башмаком разделяют полости сжатия и рабочего хода, двигатель дополнительно содержит крышку камеры сгорания с обратным клапаном и форсункой или свечой зажигания, ползуны, разделяющие полости всасывания и выпуска газов, при этом ползуны прижаты к ротору пружинами через коромысла, в четырех полостях переменного объема двигателя все четыре такта цикла происходят одновременно, а ротор в определенных фазах своего вращения открывает и закрывает всасывающее и выпускное отверстия.
В двигателе могут быть установлены две и более пружин на один ползун, а возврат ползунов в крайнее положение со стороны вала ротора и фиксация их постоянно прижатыми к ротору осуществляется пружинами через коромысла, одно плечо которых (со стороны пружины) в два раза короче другого.
Ползуны, разделяющие полости сжатия и рабочего хода, имеют поворотные башмаки, а кулачки ротора - подпружиненные уплотнительные пластины.
Плоская сторона кулачка ротора и прилегающая к ней сторона ползуна на длине его хода выполнены наклонными к направлению движения ползунов, а оси симметрии ползунов смещены от плоскости, проходящей через центр вращения вала параллельно направлению движения ползунов.
Каждая пара кулачок ротора - ползун дает один рабочий ход на один оборот вала двигателя, т.е две пары кулачок ротора - ползун дают два рабочих хода на один оборот вала, четыре пары кулачок ротора - ползун будут давать четыре двойных рабочих хода на один оборот вала двигателя, шесть пар соответственно шесть тройных рабочих хода на один оборот вала, при этом двигатель выполнен в блоке из двух и более корпусов с роторами на одном валу.
На приложенных чертежах изображены:
- фигура 1 - показывает общий вид двигателя без крышки корпуса, с двухкулачковым ротором;
- фигура 2 - схематически показывает роторный двигатель с четырехкулачковым ротором и четырьмя ползунами;
- фигура 3 - показывает разрез крышки камеры сгорания опытного образца роторного ДВС прямого действия с двухкулачковым ротором и двумя ползунами с общим рабочим объемом камер 1000 см.куб., выполненный в масштабе.
Роторный двигатель внутреннего сгорания прямого дейсттвия состоит из следующих частей:
Корпуса 1 двигателя (см. фиг.1, 2 и 3) цилиндрической формы с двумя или несколькими отверстиями прямоугольной формы, закрытыми крышками 11 ползунов.
Двух- или многокулачкового ротора 2 с подпружиненными уплотнительными пластинами е и жестко соединенным с ним валом 14.
Двух или нескольких пар ползунов, постоянно прижатых к ротору пружинами 8 через коромысла 9 и стойки 10. При этом ползуны, разделяющие полость сжатия и полость рабочего хода, имеют поворотный башмак 3.
Крышки 26 корпуса двигателя с камерами сгорания 13, впускным отверстием 16 и выпускным отверстием 15.
Крышки 25 камеры сгорания с установленными на ней обратным клапаном 12 и пружиной 20, и форсункой 19 или свечой зажигания.
Роторный двигатель работает следующим образом.
Ротор 2 вращается в корпусе 1 двигателя и, взаимодействуя с верхним и нижним ползунами 4 и корпусом, образует одновременно четыре полости а, b, с, d переменного объема, при этом в полости d происходит всасывание воздуха или горючей смеси, в полости а - сжатие, в полости b - рабочий ход, в полости с - выпуск отработавших газов через выпускное отверстие 15. В момент, когда давление в полости а превысит суммарное давление газов в камере сгорания и пружины обратного клапана, обратный клапан откроется и сжатый воздух из полости а перетечет в камеру сгорания. Пружина клапана должна быть отрегулирована так, чтобы незначительная часть сжатого воздуха успела пройти через камеру сгорания в полость рабочего хода до того, как ротор перекроет камеру сгорания 13 (для чего предусмотрена регулировка натяжения пружины клапана гайкой 18), осуществив ее продувку.
Когда кулачок ротора перекроет отверстие клапана 12, давление со стороны полости сжатия а упадет, и клапан под действием пружины 20 закроется. В это время, за 18-20° до момента открытия кулачком ротора камеры сгорания (момент опережения впрыска) произойдет впрыск топлива в камеру сгорания через форсунку 19 с последующим его воспламенением от нагретого сжатием воздуха или от свечи зажигания. После того, как кулачки ротора пройдут нижнюю кромку ползунов, последние под действием пружин 8 переместятся в крайнее положение со стороны ротора, а кулачок ротора, отходя от ползуна, откроет камеру сгорания, из которой горящие газы под давлением устремятся в полость рабочего хода и, воздействуя на кулачок ротора, заставят ротор вместе с валом вращаться. Отсюда видно, что в предлагаемом роторном ДВС происходят те же процессы и таким же образом, как в поршневых четырехтактных дизельных двигателях с разделенными камерами сгорания, но при отсутствии кривошипно-шатунного механизма с поршнями и системы газораспределения.
Во избежание образования выбоин в месте удара ползунов по ротору и появления зазора между торцом ползуна и профилем тыльной стороны кулачка в период смещения центра дуги, образующей профиль тыльной стороны кулачка в сторону от направления движения ползунов, разделяющих полости сжатия и рабочего хода, в торце этих ползунов установлен поворотный башмак 3 с поверхностью, примыкающей к кулачку, повторяющей профиль тыльной стороны кулачка и с возможностью поворота в месте крепления башмака к ползуну в небольших пределах.
С целью уменьшения нагрузки на кулачок ротора от пружин и сил трения между ползунами и направляющими ползунов в период наибольшего давления в полости рабочего хода, передняя сторона кулачков, т.е. сторона, взаимодействующая с боковой поверхностью ползунов, а также боковая поверхность ползунов на длине их хода выполнены наклонными к направлению движения ползунов, в результате чего, в частности, наклонная боковая поверхность ползунов образует с направляющей ползунов и ротором замкнутое пространство, в котором при движении ползунов в сторону ротора создается возрастающее по мере приближения ползунов к ротору давление остаточных газов, смягчая удар ползунов по ротору.
Давление горящих газов в полости рабочего хода воздействует также и на тыльную сторону кулачка ротора, препятствуя его вращению с силой, соответствующей площади тыльной стороны кулачка, заключенной между передней стороной кулачка и ползуном, уменьшенной соответственно коэффициенту передачи силы кулачком, т.е. эта сила в начальной период рабочего хода незначительна и если сравнивать с потерями в поршневых двигателях от преодоления сил инерции поступательно движущихся поршней и шатунов в момент изменения направления их движения, то она компенсируется отсутствием таких сил инерции. Однако влияние этого фактора на КПД предлагаемого роторного двигателя требует экспериментальной проверки.
Как видно по фиг.1 и 2, с увеличением числа пар кулачок ротора - ползун увеличивается число рабочих ходов на один оборот вала ротора с одновременным увеличением плеча приложения крутящего момента, т.е. две пары кулачок ротора - ползун дают два рабочих хода на один оборот вала, четыре пары кулачок ротора - ползун дают четыре двойных рабочих хода на один оборот вала, а шесть пар дают уже шесть тройных рабочих ходов на один оборот вала, т.е. с увеличением числа пар кулачок ротора - ползун крутящий момент увеличивается в геометрической прогрессии, поэтому предлагаемая конструкция ДВС позволяет создавать двигатели с большим диапазоном мощностей, в т.ч. и очень мощных при сравнительно малых габаритах, особенно если компоновать их из двух и более корпусов с роторами на одном валу со смещением оси движения ползунов по окружности разных корпусов.
Выполнены расчеты основных параметров и деталей и разработана конструкция опытного образца роторного ДВС прямого действия общим объемом полостей 1000
3
см с двухкулачковым ротором и двумя ползунами, выполнены сборочные чертежи и разрезы в масштабе, фрагмент которых показан на фиг.3, по которым можно в короткий срок изготовить рабочие чертежи всех узлов и деталей. Изготовить все детали предлагаемого двигателя можно на любом машиностроительном или машиноремонтном заводе.