РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению, а конкретно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, преимущественно автомобильным.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (Ханин Н.С., Чистозвонов С.Б. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. Москва, Машиностроение. 1964 г. с.30-32) с четырьмя секторными поршнями круглого сечения, двигающимися неравномерно возвратно-вращательно внутри кольцевого горообразного цилиндра. Поршни шарнирно связаны со специальным механизмом преобразования движения, который обеспечивает требуемый для осуществления рабочих циклов закон движения поршней и равномерное вращение выходного вала.
Недостатком данного двигателя является сложность изготовления горообразной поверхности цилиндра, сложность уплотнения поршней в районе крепления рычажного механизма, проходящего изнутри сквозь цилиндр, низкий КПД самого механизма преобразования движения.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому, принятый за прототип (RU №2170354 C1, F01C 1/063, 1999.10.28). Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус, соосно с которым установлен на выходном валу цилиндрический ротор, поршни, расположенные радиально в кольцевом промежутке между корпусом и ротором, разделяющие это пространство на рабочие камеры переменного объема, и механизм управления. Цилиндрический ротор выполнен в виде двух несущих дисков, с попарно жестко закрепленными на них четырьмя поршнями, в виде секторных лопастей, причем каждый из несущих дисков с двумя поршнями-лопастями установлен на своем валу. Механизм управления поршнями представляет собой замкнутый четырехзвенник, каждое звено которого выполнено в виде шарнирного треугольника, две вершины которого контактируют с контуром сложной траектории, описанной восемью дугами трех разных радиусов, а одна из его вершин связана с лопастью поршня.
Недостатком такого двигателя является сложный механизм управления в виде замкнутого четырехзвенника. Такой механизм технически сложен, имеет большие потери на трение, имеет большое количество предельно нагруженных элементов и, следовательно, снижает механический КПД двигателя, ухудшает его надежность и долговечность в целом. Составить конкуренцию поршневому двигателю с обыкновенным кривошипно-шатунным механизмом такой двигатель не может.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, который мог бы в некоторых случаях заменить поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии топлива, снижении потерь крутящего момента при рабочем ходе, повышении механического КПД двигателя, улучшении герметичности рабочих объемов.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус, соосно с которым установлен на выходном валу цилиндрический ротор, поршни, расположенные радиально в кольцевом промежутке между корпусом и ротором, разделяющие это пространство на рабочие камеры переменного объема, и окно газообмена, согласно изобретения, на внутренней цилиндрической поверхности корпуса и наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены впадины, количество которых соответствует количеству поршней, при этом поршни выполнены свободнонесущими в виде цилиндрических роликов с диаметром:
1
2
d=h+h
где d - диаметр поршня,
1
h - расстояние между корпусом и ротором,
2
h - глубины впадины.
Длина впадины на внутренней цилиндрической поверхности корпуса и дина впадины на наружной цилиндрической поверхности ротора составляют
1
l>2d
2
l<2d
1
где l - длина впадины на внутренней цилиндрической поверхности корпуса,
2
l - длина впадины на наружной цилиндрической поверхности ротора.
Выходной вал выполнен единым и жестко соединен с ротором.
Выполнение впадин на внутренней цилиндрической поверхности корпуса и наружной цилиндрической поверхности ротора позволяет гораздо более эффективно, чем в механизме управления прототипа, передавать крутящий момент от поршня на выходной вал двигателя, так как отсутствуют шарниры, передаточные звенья и сложные спрофилированные поверхности.
1
Впадина на внутренней поверхности корпуса осуществляет упор для неподвижно стоящего поршня и тем самым создает возможность сжатия или расширения рабочего тела. Длина этой впадины определяет степень сжатия двигателя и предотвращает возможность соударения роликов-поршней, поэтому длина ее дуги l>2d.
1
Впадина на наружной цилиндрической поверхности ротора позволяет передавать силу давления газов через движущийся ролик-поршень на ротор и жестко связанный с ним выходной вал двигателя. Причем, плечо действия силы давления газов, в отличие от любых других объемных двигателей внутреннего сгорания, постоянно, поскольку в механизме управления нет никаких передаточных звеньев между поршнем и выходным валом. Это значительно увеличивает эффективность использования тепла сгоревшего топлива. Кроме того, впадина на роторе позволяет роликам поочередно меняться местами, но не позволяет одновременно двигаться вместе с ротором, поскольку длина ее дуги l<2d и в эту впадину может попасть только один ролик-поршень.
Количество впадин обязательно должно соответствовать количеству поршней, поскольку один ролик-поршень всегда служит упором для создания давления в рабочем объеме, а другой является ведущим для ротора и выходного вала двигателя. Так как каждый ролик-поршень имеет диаметр больший, чем кольцевой промежуток между корпусом и ротором, он может располагаться только во впадине. В каждой впадине на большей части оборота ротора (выходного вала) должен помещаться только один ролик-поршень, но в момент смены роликов местами в длинной впадине корпуса могут кратковременно находиться два ролика. Если два ролика-поршня останутся в одной впадине корпуса то нарушится их взаимное чередование и, соответственно, рабочий цикл двигателя.
Выполнение на цилиндрических поверхностях корпуса и ротора впадин позволяет:
- периодически подключать к валу двигателя именно тот поршень, который на данном обороте вала является ведущим;
- автоматически менять поршни местами;
- эффективно передавать и более полно использовать энергию топлива, поскольку плечо действия силы давления газов от поршня к валу остается постоянным на протяжении всего рабочего хода;
- исключить ненужные, как в прототипе, шарниры и связи между поршнями и валом двигателя, исключая, тем самым, неоправданные потери на трение, утечки в многочисленных уплотнениях, повышая надежность всего устройства в целом, упрощая конструкцию и снижая ее стоимость;
- сделать выходной вал двигателя единым и жестко соединенным с ротором, что значительно упрощает конструкцию.
Поршни выполнены свободнонесущими, поскольку именно это позволяет им меняться местами и осуществлять при каждом новом обороте новый термодинамический цикл, эффективно передавать крутящий момент на вал двигателя.
Цилиндрическая форма поршней способствует их самоуплотнению по образующей поверхности, как со стороны корпуса, так и со стороны ротора. Кроме того, трение скольжения по образующим поршней частично переходит в трение качения, что значительно снижает потери на трение, делает износ поршней и сопрягаемых цилиндрических поверхностей более равномерным.
1
2
2
Диаметр поршней принят большим, чем расстояние между корпусом и ротором на величину глубины впадины, т.е. d=h+h. Глубина впадин на корпусе и роторе одинакова и равна h; она позволяет создать упор для передачи усилий от расширяющихся газов на корпус через неподвижный поршень и на ротор через ведущий поршень.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен конструктивный вид роторно-поршневого двигателя, на фиг.2 - схема протекания термодинамического цикла.
Роторно-поршневой двигатель (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, закрытый боковыми крышками (на фиг.1 условно не показаны), цилиндрический ротор 2, установленный соосно внутри корпуса 1 на выходном валу 3 отбора мощности. В кольцевом промежутке между корпусом 1 и ротором 2 установлены по меньшей мере два поршня 4 и 5, выполненные в виде цилиндрических роликов, разделяющих это пространство на рабочие камеры переменного объема. Поршни 4 и 5 по длине соответствуют ширине корпуса 1 и ротора 2, а их диаметр равен
1
2
d=h+h
где d - диаметр поршня,
1
h - расстояние между корпусом и ротором,
2
h - глубина впадины.
Поэтому они могут находиться только во впадине 6 корпуса 1 и во впадине 7 ротора 2. Система газообмена двигателя выполнена в виде единого окна 8, выполняющего функции впуска и выпуска рабочего тела. Выполнение системы газообмена двигателя в виде одного отверстия, выполняющего функции как впускного, так и выпускного окна соответствует последовательности протекания тактов в общем термодинамическом цикле двигателя. Длительность тактов впуска и выпуска в предлагаемом двигателе больше, чем в прототипе, поэтому для нормального газообмена достаточно пропускного сечения одного окна. Также в двигателе имеются свеча зажигания 9 и форсунка 10 для впрыска топлива, которые в предлагаемом конструктивном варианте двигателя установлены в одной плоскости.
Работает двигатель следующим образом.
В начале нового цикла (фиг.2а) ротор 2 движется вместе с поршнем 4 по инерции, частично поглощая энергию, запасенную во время предыдущего рабочего хода. При этом поршень 5 неподвижен. После прохождения поршнем 4 окна 8 между поршнями 4 и 5 и цилиндрическими поверхностями корпуса 1 и ротора 2 образуется рабочая камера переменного объема. Объем камеры уменьшается за счет вращения ротора 2 и движения поршня 4. Поршни 4 и 5 под действием увеличивающегося давления в этой камере расходятся в разные стороны: поршень 4 отстает от вращения ротора 2 и перемещается к задней кромке (по ходу вращения) его впадины 7; поршень 5 двигается по ходу вращения ротора 2 и упирается в переднюю кромку впадины 6 корпуса 1. При дальнейшем вращении ротора 2 по инерции и приближении поршня 4 к поршню 5 происходит сжатие рабочего тела (воздуха) (фиг.2б). Поршни сближаются до того момента, пока движущийся вместе с ротором 2 поршень 4 не поравняется с задней кромкой впадины 6 корпуса 1. Давление сжатого воздуха заставляет поршень 4 выйти из впадины 7 ротора 2, переместится во впадину 6 корпуса 1 и прижаться к ее задней (по ходу вращения) кромке. Через минимальный угол поворота ротора 2 (заданный длиной впадин 6 и 7) поршень 5 под действием того же давления перемещается из впадины 6 корпуса 1 во впадину 7 ротора 2 и прижимается к ее передней (по ходу вращения) кромке. При этом положении достигается максимальная степень сжатия в объеме камеры сгорания между поршнями 4 и 5. Таким образом, под действием давления сжатого рабочего тела (воздуха) при вращении ротора 2 поршни 4 и 5 меняются местами (фиг.2в). В этот момент в камеру сгорания через форсунку 10 впрыскивается топливо, образуется горючая смесь, которая поджигается электрической искрой от свечи 9. Происходит рабочий ход двигателя (фиг 2в). При этом поршень 4 неподвижен, находится у задней кромки впадины 6 корпуса 1 и служит упором для расширяющихся газов и движения поршня 5, который, упираясь в переднюю кромку впадины 7, толкает ротор 2. Примерно через пол-оборота выходного вала 3 с ротором 2, поршень 5 проходит окно 8, происходит выпуск отработавших газов (фиг.2г) и одновременно отсечка объема свежего воздуха для следующего цикла между поршнями 5 и 4.
Описанное устройство и принцип действия двигателя позволяют сделать вывод о том, что потери крутящего момента в нем сведены к минимуму. Действительно, плечо действия силы давления расширяющихся газов через поршень на вал двигателя всегда максимально и не меняется на протяжении всего рабочего хода. Кроме того, отсутствуют какие-либо передаточные звенья от поршня к валу которые, как в прототипе, могут иметь вредные для передачи момента зазоры, не эффективные текущие кинематические параметры для его полной реализации. Таким образом можно утверждать, что механический КПД предлагаемого двигателя больше, а эффективность использования энергии топлива выше, чем в прототипе. Кроме того, под давлением рабочего тела происходит самоуплотнение поршней по цилиндрическим поверхностям одновременно между поршнем и корпусом и между поршнем и ротором. Это улучшает герметичность рабочих отсеков двигателя и способствует правильному протеканию термодинамического цикла.
Данное изобретение находится на стадии лабораторных испытаний. Изготовлен демонстрационный образец изобретения.