РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY PISTON ENGINE

Область техники
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано во всех отраслях, где применяются двигатели внутреннего сгорания.
Предшествующий уровень техники
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU 2091596, F02B 53/00, 1997). Двигатель содержит корпус с цилиндрической рабочей полостью, цилиндрический монолитный ротор с тремя поршнями, установленный в полости корпуса так, что их оси параллельны и не совмещены, торцевые крышки корпуса с подшипниками для вала ротора, с которого снимается мощность, две пары впускных и выпускных клапанов и систему охлаждения и смазки ротора с поршнями. По оси ротора выполнен канал, а по его радиусам параллельно оси выполнены сквозные до канала три щели под углом 120 градусов друг к другу. Поршни выполнены в виде свободных концов прямоугольных пластин, которые с минимальными зазорами размещены в щелях ротора с возможностью перемещения. Поршни, торцы ротора и пластин с минимальными зазорами прилегают к внутренней поверхности рабочей полости корпуса. Внутри вала и подшипниках выполнены каналы для охлаждающей и смазывающей жидкости, которые с каналом ротора образуют сквозной канал, к входу которого присоединен выход клапана системы жидкостного охлаждения и смазки, а к выходу - вход другого клапана этой системы.
Однако эта схема двигателя сложна, так как содержит распределительный кулачковый вал, шестерни, толкатели, впускные и выпускные клапаны, коромысла, кроме того, нет подвода смазывающей жидкости к торцам ротора и поршней. Все это снижает надежность и работоспособность двигателя.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU 2431751, МПК F02B 55/02, F01C 1/46, F01C 19/04, 2011 г.). Двигатель содержит корпус с цилиндрической полостью, крышку корпуса, вал, закрепленный в корпусе по центру полости с возможностью вращения, полость в корпусе разделена на две закрытые рабочие полости, каждая из которых содержит ротор цилиндрической формы, закрепленный эксцентрично на валу. Двигатель содержит три подвижные заслонки, постоянно прижатые к ротору, разделяющие объем концентрического пространства на три рабочие камеры с изменяющимся объемом при вращении вала. Каждая из рабочих камер является камерой сгорания с всасывающим клапаном и каналом для вытеснения отработавшего газа. Двигатель также содержит радиальные и торцевые уплотнения для герметизации камер, устройства подачи топлива в камеры сгорания, систему газораспределения, систему электронного зажигания, систему охлаждения.
Недостатками данного двигателя являются: сложность конструкции при недостаточной эффективности вследствие того, что в закрытой рабочей полости все рабочие камеры являются камерами сгорания, в каждой из них рабочий ход ротора осуществляется за два оборота вала, так как за один оборот вала в каждой камере сгорания реализуются только два такта - «всасывание» и «сжатие», а для полного цикла работы камеры сгорания двигателя необходимо их повторение, чем и обусловлено наличие второй закрытой рабочей полости с ротором, это, в свою очередь, повлекло за собой усложнение конструкции за счет содержания в ней сложной системы газораспределения с механизмами кинематической связи. Известен роторно-поршневой двигатель (см. патент RU 2564175 С1, МПК F02B 55/02, F01C 1/344, F01C 19/04, 2015 г.). Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит наружный корпус - статор, боковые крышки, ротор, систему зажигания, форсунку, компрессор или систему турбонаддува, масляный насос, систему охлаждения, уплотнительные элементы.
Внутренняя поверхность статора выполнена в поперечном сечении в виде эллипса. В поперечном сечении ротор выполнен в виде треугольника Рело. В вершинах ротора в пазах размещены П-образные лопатки в виде прямоугольных поршней. Объемы между внутренней поверхностью поршней, ротором и боковыми крышками образуют неизменный суммарный объем масла. В суммарном объеме поддерживается постоянное давление путем нагнетания через обратный клапан масла от масляного насоса. В вершинах поршней размещены износостойкие вставки, изготовленные из пористого материала. Форсунка размещена в статоре на вертикальной оси симметрии рабочего отверстия статора. Система зажигания в виде двух свечей размещена в первой и второй четвертях статора (если вести отсчет от вертикальной оси симметрии рабочего отверстия статора по часовой стрелке). Выхлопное отверстие выполнено во второй половине третьей четверти статора. Отверстие для нагнетания сжатого воздуха выполнено во второй половине четвертой четверти статора.
Эта конструкция двигателя принята за прототип.
Недостатком данного двигателя является следующее: а) статор имеет рабочее отверстие в поперечном сечении в виде эллипса, а это снижает технологичность при его изготовлении; б) износостойкие вставки, размещенные в вершинах поршней, изготовлены из пористого материала, что приводит к постепенному закупориванию пор микрочастицами, содержащимися в масле, а это затрудняет подвод масла к трущимся поверхностям и приводит их к повышенному износу, что снижает долговечность и надежность двигателя; в) нагнетающий канал для сжатого воздуха и выхлопной канал для отработанных газов имеют по одному отверстию в статоре, что недостаточно для нормальной работы двигателя, особенно при повышенных оборотах, когда одна камера не успевает заполниться сжатым воздухом, а другая камера не успевает освободиться от отработанных газов.
Задача изобретения - повышение технологичности конструкции роторно-поршневого двигателя, увеличение его надежности и долговечности.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит наружный корпус-статор с внутренней рабочей поверхностью, выполненной в поперечном сечении в виде окружности, боковые крышки статора, нагнетающие и выхлопные отверстия на статоре для газообмена в камерах сгорания, ротор, при помощи вала расположенный эксцентрично в цилиндрической рабочей полости статора и выполненный в поперечном сечении в виде треугольника Рело, посаженный на неподвижную посадку на цилиндрический вал, который установлен на опорных подшипниках, расположенных в боковых крышках статора. В вершинах ротора равномерно друг от друга под 120 градусов выполнены три паза, а в пазах размещены П-образные лопатки в виде прямоугольных поршней или прямоугольных подпружиненных поршней. Прямоугольные поршни выполнены с продольными прорезями, расположенными посредине поршней.
Объемы между внутренней поверхностью поршней, ротором и боковыми крышками статора заполнены масляной жидкостью под давлением, причем эти внутренние объемы трех поршней соединены между собой каналами для перетекания масла и образуют суммарный объем масла, который сохраняется неизменным в любом положении ротора при его вращении в статоре и радиальном возвратно-поступательном движении поршней в роторе. В боковой крышке статора выполнен масляный канал для поддержания в суммарном объеме постоянного давления путем нагнетания масла через обратный клапан во внутренние объемы поршней от масляного насоса.
В вершинах поршней размещены износостойкие вставки, выполненные в поперечном сечении в виде трапеций, которые как и вершины поршней контактируют при вращении ротора с цилиндрической рабочей поверхностью статора. Износостойкие вставки выполнены из материала без пор и встроены в поршни по скользящей посадке с зазором для просачивания по нему под давлением масла к трущимся поверхностям вершин поршней и статора. Поверхность вершины каждого поршня и встроенной в него вставки в поперечном сечении выполнены по кривой второго порядка. В вершине каждого поршня выполнены каналы, которые подведены к поверхности износостойкой вставки для просачивания под определенным давлением масла через микрозазоры по боковой поверхности вставки для смазки скользящих поверхностей поршней и цилиндрической рабочей поверхности статора.
Двигатель содержит также систему зажигания в виде двух свечей для воспламенения топливовоздушной смеси, форсунку для впрыскивания топлива в камеры, компрессор или систему турбонаддува для нагнетания сжатого воздуха в камеры, масляный насос для смазки и работы двигателя, систему охлаждения двигателя, уплотнительные элементы, встроенные в ротор и поршни для герметизации камер переменного объема. Форсунка размещена в статоре во второй половине третьей четверти статора (если вести отсчет от вертикальной оси симметрии рабочего отверстия статора по часовой стрелке), система зажигания в виде двух свечей размещена в первой и четвертой четвертях статора, выхлопные отверстия выполнены вдоль образующей цилиндрической рабочей поверхности статора и размещены во второй половине второй четверти статора, отверстия для нагнетания сжатого воздуха в камеры выполнены вдоль образующей цилиндрической рабочей поверхности статора и размещены в первой половине третьей четверти или на вертикальной оси симметрии статора, а отверстие для нагнетания масла во внутренние объемы поршней выполнено в боковой крышке и размещено в первой половине третьей четверти статора.
Возможно выполнение предлагаемого двигателя таким образом, что корпус каждого поршня и износостойкой вставки выполнены из одинакового материала с целью равномерного их износа в процессе эксплуатации.
Известно, что сумма величин трех радиусов, центр которых выполнен эксцентрично относительно центра окружности и расположены они под углом 120 градусов друг к другу, есть величина постоянная для данной окружности при любом расположении этой конфигурации радиусов в окружности. В предлагаемом двигателе это означает, что суммарный объем между внутренними поверхностями поршней, ротором и боковыми крышками статора, который заполнен масляной жидкостью, сохраняется неизменным в любом положении ротора при его вращении в цилиндрическом статоре. При вращении ротора поршни совершают радиальные возвратно-поступательные движения вдоль боковых сторон пазов ротора, а масляная жидкость по каналам перетекает из поршня в поршень, сохраняя, тем самым, постоянным давление масла в поршнях и в суммарном объеме.
Поскольку жидкость в виде масла в замкнутом суммарном объеме и благодаря обратному клапану несжимаема, то никакие ударные силы при взрыве топливовоздушной смеси в камере не могут образовать зазор между вершиной поршня и рабочей цилиндрической поверхностью статора, поэтому вершины поршней перемещаются по цилиндрической поверхности статора без зазоров, при этом прорыв горящих газов в соседние камеры невозможен. Все это улучшает динамику и повышает надежность двигателя. Поршни в роторе могут быть, как вариант, подпружинены, однако с одними пружинами в поршнях работа двигателя будет затруднена, так как возможен прорыв горящих газов от взрыва топливовоздушной смеси в соседние камеры. Поэтому поршни должны быть заполнены еще и масляной жидкостью, чтобы исключить возможность прорыва горящих газов в соседние камеры за счет несжимаемости жидкости.
Внутренняя рабочая поверхность статора выполнена в поперечном сечении в виде окружности и рабочая поверхность статора является прямым круговым цилиндром, что повышает технологичность конструкции статора, так как расточить и прошлифовать с большой точностью круговой цилиндр гораздо проще, чем обработать эллипс, указанный в прототипе.
Прямоугольные поршни выполнены с продольными прорезями, расположенными посредине поршней. Это необходимо для смазки торцевых поверхностей ротора, поршней и боковых крышек, а также для упругой деформации поршней по ширине, вследствие этого, под действием давления масла боковые поверхности поршней постоянно прижимаются к боковым поверхностям пазов ротора и, тем самым, обеспечивается скольжение трущихся деталей без зазоров. Поверхность вершины каждого поршня и встроенной в него вставки в поперечном сечении выполнены по кривой второго порядка, в результате чего поверхности вершин поршней также контактируют при вращении ротора с поверхностью рабочего цилиндра статора, как и вставки, встроенные в поршни. Это уменьшает износ поршней и увеличивает долговечность двигателя.
Нагнетающее отверстие для сжатого воздуха и выхлопное отверстие для отработанных газов, каждое снабжено дополнительно несколькими отверстиями, расположенными вдоль образующей цилиндрической рабочей поверхности статора. Это необходимо для ускоренного газообмена в камерах, особенно при повышенных оборотах ротора.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид (поперечный разрез) двигателя; на фиг. 2 - продольный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3, 4, 5, 6, 7 - общие виды, поясняющие принцип работы двигателя. Двигатель состоит из статора 1 (наружного корпуса), ротора 2 (см. фиг. 1), установленного на вал 18 (см. фиг. 2) и зафиксированного на нем шпонкой 11. Вал 18 установлен на опорных подшипниках 19, расположенных в боковых крышках 21, 24. В роторе 2 расположены П-образные прямоугольные поршни 3, 4, 5 (см. фиг. 1), выполненные с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения в роторе 2.
Поршни 3, 4, 5 и каналы 12 заполнены масляной жидкостью 7. В вершинах поршней 3, 4, 5 размещены износостойкие вставки 6. Статор 1 содержит штуцеры 14 для нагнетания сжатого воздуха в камеры. Статор 1 содержит также штуцеры 13 для отвода выхлопных газов. В статоре 1 размещены свечи зажигания 8, 9. В боковой крышке 24 выполнено отверстие 16 для нагнетания масла во внутренние объемы поршней через штуцер 15 с встроенным в него обратным клапаном. В статоре 1 размещена форсунка 17 для впрыскивания в распыленном виде топлива в камеры. Статор содержит полости 10 для прокачки по ним охлаждающей жидкости.
Статор 1 и боковые крышки 21, 24 соединены между собой болтами и штифтами 22 (см. фиг. 2). Боковые крышки 21, 24 содержат крышки 20 для защиты подшипников 19 от пыли и грязи. Боковые крышки 21, 24 содержат накладки 23, служащие для предотвращения выпадения от вибраций штифтов 22.
На фиг. 3 изображен общий вид двигателя и образованная между поршнями 3 и 5 камера 25, в момент нагнетания в нее сжатого воздуха из каналов 26 через штуцеры 14. Ротор с поршнями вращается по часовой стрелке. На фиг. 4 показан общий вид и расположенная между поршнями 3, 5 камера 27, в момент впрыскивания в нее топлива форсункой 17. На фиг. 5 изображен общий вид двигателя в момент воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в камере 28 от срабатывания свечей зажигания 8 и 9. На фиг. 6 показан общий вид и расположенная между поршнями 3, 5 камера 29 с отработанной рабочей смесью, которая затем удаляется из камеры в выхлопные каналы 30 через штуцеры 13. На фиг. 7 изображен общий вид двигателя и расположенная между поршнями 3, 5 камера 31 в момент, при котором происходит ее продувка от остатков отработанной смеси сжатым воздухом из каналов 26 в выхлопные каналы 30. На каждом поршне выполнена продольная прорезь 32.
Принцип работы роторно-поршневого двигателя.
Работу двигателя рассмотрим на примере цикла рабочей камеры 25, образованной между поршнями 3 и 5, поверхностью ротора 2, боковыми крышками 21, 24 и внутренней цилиндрической поверхностью статора 1 (см. фиг. 3). При вращении ротора 2 по часовой стрелке и расположении поршней 3, 5, как показано на фиг. 3, в камеру 25 нагнетается сжатый воздух из отверстий 26 до давления выше атмосферного, которое имеет сжатый воздух. Дальнейшее вращение ротора 2 перемещает рабочую камеру в третью и четвертую четверти статора 1, поз. 27 (см. фиг. 4), а отверстия 26 для нагнетания сжатого воздуха перекрываются поршнем 5. В этот момент в камеру 27 впрыскивается в распыленном виде топливо форсункой 17, тем самым, совершается такт образования топливовоздушной смеси в камере.
Дальнейшее вращение ротора 2 перемещает рабочую камеру в первую и четвертую четверти статора 1, поз. 28 (см. фиг. 5), при этом топливовоздушная смесь в камере 28 окончательно сжимается, а давление и температура ее повышаются, совершается такт сжатия. В этот момент на электроды свечей зажигания 8, 9 подается высокое напряжение и возникающие искры воспламеняют сжатую в камере сгорания 28 топливовоздушную смесь, при этом давление газов от их сгорания передается на поршни 3 и 5. В этот момент вершина поршня 3 более удалена от оси вращения ротора, чем вершина поршня 5, т.е. рабочая площадь поршня 3 больше рабочей площади поршня 5 и давление газов на рабочую площадь поршня 3 преобразуется в крутящий момент и во вращательное движение ротора 2 с валом 18, начинается рабочий ход.
Дальнейшее вращение ротора 2 перемещает рабочую камеру в первую и вторую четверти статора 1 поз. 29 (см. фиг. 6), совершается такт - рабочий ход. Рабочая камера 29 достигает максимального объема расширения и при пересечении поршня 3 выхлопных отверстий 30 осуществляется такт выпуска отработанных газов. Давление в рабочей камере 29 при этом снижается и достигает атмосферного значения. Кроме того, происходит насыщение соседней камеры между поршнями 3 и 4 свежим воздухом из нагнетательных отверстий 26.
Дальнейшее вращение ротора 2 перемещает рабочую камеру в первую и вторую четверти статора 1, поз. 31 (см. фиг. 7). При этом вершина поршня 3 пересекает нагнетательные отверстия 26 и сжатый воздух из отверстий 26 устремляется в камеру 31, происходит ее продувка от остатков отработанных газов в выхлопные отверстия 30, а также осуществляется при этом охлаждение камеры, поршней и ротора. Таким образом, рабочая камера очищается от отработанных газов.
В каждом поршне выполнена продольная прорезь 32 (см. фиг. 7), расположенная посредине поршня. Это необходимо для смазки торцевых поверхностей ротора, поршней и боковых крышек, а также для упругой деформации поршней по ширине, вследствие этого, под действием давления масла боковые поверхности поршней постоянно прижимаются к боковым поверхностям пазов ротора, обеспечивая без зазоров скольжение трущихся деталей.
Дальнейшее вращение ротора 2 перемещает рабочую камеру, находящуюся между поршнями 3 и 5 в исходную позицию, поз. 25 (см. фиг. 3), затем рабочий цикл повторяется. Аналогично происходит рабочий цикл и в остальных камерах между поршнями 3, 4 и 4, 5. В каждой камере с момента впрыскивания в нее топлива и нагнетания сжатого воздуха за один оборот ротора 2 совершается четырехтактный рабочий цикл, а ротор 2 и вал 18 от каждой камеры нагружаются крутящим моментом, что приводит во вращательное движение ротор 2 с валом 18.
Охлаждение статора двигателя осуществляется за счет прокачки охлаждающей жидкости через полости, выполненные в наружном корпусе и в его боковых крышках. Охлаждение ротора и поршней осуществляется за счет продувки и нагнетания камер сжатым воздухом, а также теплоотводом через масляную жидкость в охлаждаемые боковые крышки статора.
Предлагаемая схема двигателя позволяет наращивать его мощность путем увеличения размера двигателя по диаметру и по длине, а также путем наращивания секций из двигателей.
Таким образом, роторно-поршневой двигатель позволяет обеспечить выполнение всех задач изобретения.
Предложенный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания найдет применение в автомобилестроении, авиастроении и в других отраслях, где требуются компактные и надежные двигатели.