ДВУХРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE DOUBLE-ROTOR MECHANISM

Изобретение относится к двигателестроению и может найти применение в автомобильной, мото- и снегоходной технике, судостроении, строительной и сельскохозяйственной технике, в военной технике и других областях, где требуется высокая литровая и удельная мощность, а также топливная экономичность и низкое содержание вредных веществ в отработанных газах.
Известен роторный двигатель Кашеварова Ю.Б. РДК-17, патент RU 2121066, содержащий статоры компрессора и двигателя, каждый из которых составлен из двух цилиндрических частей, соединенных болтами. Цилиндры компрессора и двигателя соединены воздуховодом, одновременно выполняющим функции камеры сгорания. В воздуховоде также размещены: инерционный воспламенитель, свеча зажигания, форсунка для впрыска топлива и дверца, соединенная с пластинчатой пружиной и перекрывающая окно воздуховода со стороны компрессора. В статорах компрессора и двигателя установлены роторы, каждый из которых снабжен заслонкой, которые имеют возможность перемещаться в диаметральной плоскости ротора.
Однако известный двигатель не в полной мере реализует возможности раздельной схемы (компрессор-двигатель) и имеет следующие недостатки:
1) конструкция не позволяет делать больше рабочих ходов за один оборот выходного вала;
2) низкий термический КПД из-за совмещения в такте рабочего хода процесса сгорания и расширения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
1) повышение литровой и удельной мощности, а также крутящего момента;
2) повышение термического КПД;
3) снижение содержания вредных веществ в отработанных газах.
Поставленная задача достигается:
1) применением конструкции механизма, которая обеспечивает возможность делать от двух и более (оптимально от двух до четырех) рабочих ходов за один оборот выходного вала;
2) отделением процесса сгорания из такта рабочего хода в самостоятельный процесс (такт) и увеличением времени (или фазы) сгорания смеси в изохорном процессе;
3) увеличением (или уменьшением) объема полости компрессора по сравнению с объемом полости тепловой машины.
Предлагаемый двухроторный механизм двигателя внутреннего сгорания (далее просто механизм) состоит из двух основных частей:
1) компрессор-сжигатель (далее просто компрессор) с соосно размещенным ротором, в котором выполняются такты: всасывания, сжатия, сгорания и передачи энергии расширяющихся газов из компрессора (камер сгорания) в тепловую машину (он же такт рабочего хода-выпуска в машине);
2) тепловая машина (далее просто машина) с соосно размещенным ротором, в которой выполняются такты рабочего хода и выпуска отработанных газов.
Механизм иллюстрируется фиг. 1-5.
На фиг. 1 изображен общий вид механизма с роторами, имеющими по два радиальных паза, по две пластины и две камеры сгорания только на роторе компрессора, со снятой крышкой, в положении одной из пластин машины, находящейся перед рабочим ходом.
На фиг. 2 изображен разрез по пластине (конструкция пластин одинакова, отличаются только размерами).
На фиг. 3 изображен вариант исполнения механизма с роторами, имеющими по три радиальных паза, по три пластины и три камеры сгорания только на роторе компрессора (впускной коллектор и форсунки не показаны).
На фиг. 4 изображен вариант исполнения механизма с роторами, имеющими по четыре радиальных паза, по четыре пластины и четыре камеры сгорания только на роторе компрессора (впускной коллектор и форсунки не показаны).
На фиг. 5 изображен вариант исполнения механизма с передаточным отношением 2:1, с увеличенным вдвое временем для сгорания смеси, имеющего меньшую в два раза длину канала (впускной коллектор и форсунки не показаны).
Механизм имеет корпус 1, в котором выполнены два цилиндра. Один из них - цилиндр компрессора 2, направляющая которого может быть полуокружностью-полуэллипсом или полуокружностью-полуовалом, а второй - цилиндр машины 3, направляющая которого также может быть полуокружностью-полуэллипсом или полуокружностью-полуовалом. В цилиндрах соосно размещены роторы, соответственно ротор компрессора 4 и ротор машины 5. Образованные при этом полости являются: полостью всасывания-сжатия 7 в компрессоре и полостью рабочего хода-выпуска 9 в машине. Причем объем полости в компрессоре может отличаться от объема полости в машине. В полости всасывания-сжатия также имеется окно впуска 8, форсунка 22 для впрыска легкого топлива, которая может быть установлена в любом месте цилиндрической поверхности полости, например, в начале такта сжатия, а также вне полости, например, в впускном коллекторе 23, и источник 21 воспламенения. В дизельном исполнении механизма вместо источника воспламенения устанавливается форсунка. В полости рабочего хода-выпуска имеется окно впуска (канал 20) и выпуска 10 отработанных газов. Каждый ротор может иметь в зависимости от требуемой мощности расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга от двух до четырех радиальных пазов 11. На цилиндрической поверхности ротора компрессора, перед пазами, по ходу вращения, выполнены углубления, служащие камерами 12 сгорания. В пазы установлены пластины. В компрессоре - пластины всасывания-сжатия 13, в машине - пластины рабочего хода-выпуска 14, которые имеют возможность выталкиваться к внешним поверхностям полостей упругими элементами, например пружинами 15. На боковых сторонах пластин находятся цилиндрические выступы 16 с размещенными на них подшипниками 17 для снижения трения. Они взаимодействуют с соответствующими ограничительными дорожками 18-к компрессора и 18-м машины, выполненными по заданным траекториям в торцевых крышках 19. Причем траектории дорожек для компрессора и машины могут отличаться. Дорожки выполнены таким образом, что пластины, описывая внешние поверхности полостей, в то же время их не касаются. Цилиндр компрессора 2 соединен с рабочей полостью 9 машины каналом 20, служащим для передачи энергии расширяющихся газов из компрессора (камер 12 сгорания) в рабочую полость 9 на пластины машины 14. Этот канал 20 начинается после завершения фазы сгорания в перемычке между цилиндрами и представляет собой углубление, выполненное на цилиндрической поверхности компрессора с глубиной, в начале равной толщине перемычки, т.е. в самом начале это отверстие. Затем канал 20 продолжается по цилиндрической поверхности компрессора по ходу вращения ротора и, не доходя до геометрического начала полости всасывания-сжатия (до предполагаемой установки уплотнения), он заканчивается. При этом его глубина (сечение) на всем протяжении может быть постоянной (ым) или постепенно уменьшаться.
Валы 6 роторов связаны передачей в отношении 1:1. Для исполнения механизма, имеющего роторы с двумя пазами, двумя пластинами и двумя камерами сгорания (только на роторе компрессора), возможно увеличение времени для сгорания в два раза путем изменения передаточного отношения на 2:1 и заменой ротора компрессора на ротор с удвоенным числом радиальных пазов, пластин и камер сгорания. Длину канала при этом уменьшают вдвое.
При таком выполнении механизма, с учетом отделенного такта сгорания, получаются следующие фазы:
1) фаза «всасывания-сжатия» начинается от впускного окна и продолжается до точки пересечения полуэллипса (полуовала) с полуокружностью;
2) фаза сгорания начинается от источника воспламенения (форсунки) и продолжается до начала канала;
3) фаза передачи энергии расширяющихся газов из компрессора (камер сгорания) в рабочую полость на пластины машины (она же фаза рабочего хода-выпуска) начинается от начала и продолжается до конца канала - в компрессоре, и от входа канала в рабочую полость машины до окна выпуска отработанных газов - в машине.
Работа механизма осуществляется следующим образом.
При вращении роторов в указанном стрелкой направлении в полости всасывания-сжатия 7 компрессора происходит следующее: под действием пружин 15 и центробежных сил пластины 13 выталкиваются из ротора, но благодаря выступающим за боковые пределы пластин цилиндрическим выступам 16, с размещенными на них подшипниками 17, обкатываются по ограничительным дорожкам 18-к. При этом торцы пластин описывают внешнюю поверхность полости всасывания-сжатия 7. В результате этого перед пластинами может происходить сжатие смеси или воздуха, а за ними - всасывание. Сжимаемая смесь или воздух поступает в камеры 12 сгорания и поджигается источником 21 воспламенения (в дизельном исполнении впрыскивается топливо из форсунки, установленной вместо источника воспламенения). При дальнейшем повороте ротора происходит сгорание смеси в замкнутом объеме камер сгорания (изохорный процесс). При передаче 1:1 фаза сгорания ограничена источником 21 воспламенения (форсункой) и началом канала 20 и ориентировочно может доходить до 90 и более градусов (с учетом опережения зажигания). Если времени до полного сгорания будет недостаточно, то в исполнении механизма, имеющего роторы с двумя пазами, двумя пластинами и двумя камерами сгорания (только на роторе компрессора), возможно увеличение времени для сгорания вдвое путем изменения передаточного отношения на 2:1 и заменой ротора компрессора на ротор с удвоенным числом радиальных пазов, пластин и камер сгорания. При этом длину канала возможно уменьшить вдвое. При дальнейшем повороте ротора, после окончания такта сгорания, происходит открытие камер 12 сгорания в канал 20, и по нему давление расширяющихся газов передается в рабочую полость 9 на пластины машины 14. До пластин идет рабочий ход, перед пластинами - выпуск отработанных газов через канал 10 выпуска.
При применении такой схемы роторного механизма двигателя внутреннего сгорания в исполнении с двумя пазами, двумя пластинами и двумя камерами сгорания (только на роторе компрессора), при одинаковом рабочем объеме и других равных условиях, литровая мощность по сравнению с четырехтактным поршневым двигателем внутреннего сгорания возрастет в восемь раз (2 рабочих хода за один оборот выходного вала против 0,5 и предполагаемое увеличение КПД в 2 раза), при применении роторов с тремя радиальными пазами, тремя пластинами и тремя камерами сгорания (только на роторе компрессора) литровая мощность возрастет в 12 раз (3 рабочих хода и предполагаемое увеличение КПД в 2 раза), а при применении роторов, имеющих четыре радиальных паза, четыре пластины и четыре камеры сгорания (только на роторе компрессора), литровая мощность возрастет в 16 раз (4 рабочих хода и предполагаемое увеличение КПД в 2 раза).