РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY PISTON ENGINE

Описание изобретения.
Изобретение относится к области двигателестроения и используется на транспортных средствах, где применяются двигатели внутреннего сгорания.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU №2011146014), состоящий из размещенных на общем рабочем валу секций с противоположно-направленными крутящими моментами и рабочим валом, представляющим собой объединенную фрикционным сцеплением комбинацию из полого первичного вала и встроенного внутри него вторичного вала. Двигатель размещается, как правило, поперек транспортного средства с передачей крутящего момента непосредственно на его ходовую колесную пару, исключая необходимость установки коробки передач. Секции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, принятого за прототип, (см. патент RU №2011146017, «Роторно-поршневой двигатель), включают в себя корпус с размещенными внутри него ротором и кольцевой камерой, выдвижные заслонки, шарнирно крепящиеся соединительные связи, камеры расширения и камеры нагнетания с топливоподающей системой, установленные на роторе поршни с источниками воспламенения и со специальной поверхностью, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения. Траектория движения выдвижной заслонки внутри кольцевой камеры определяется шарнирно крепящейся соединительной связью, которая имеет шарнирное крепление к корпусу за пределами кольцевой камеры и во внерабочем положении полностью выводится из кольцевой камеры. По этой причине размеры шарнирно крепящейся соединительной связи получаются чрезмерно большими, а при жестком соединении этой связи с выдвижной заслонкой существенно увеличиваются также размеры корпуса секции. Топливоподающая система в камере нагнетания включает в себя поршень с клапаном двойного действия.
Недостатком двигателя является громоздкость компоновочных решений и низкая надежность топливоподающей системы.
Целью изобретения является повышение надежности двигателя за счет совершенствования его компоновочных и технических решений.
Поставленная цель достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания состоящем из секций, каждая из которых включает в себя корпус с кольцевой камерой, размещенный внутри корпуса ротор с поршнями, рабочий вал, окна газоотводящей системы, камеры расширения и камеры нагнетания, выдвижные заслонки с шарнирно крепящимися к корпусу соединительными связями, в секциях шарнирно крепящиеся соединительные связи выполнены из двух симметрично расположенных относительно кольцевой камеры частей, каждая из которых размещена в отдельной нише, отгороженной от кольцевой камеры перегородкой, один конец соединительной связи жестко соединен с выдвижной заслонкой, а другой - шарнирно опирается на стенку корпуса посредством оси, которая выступает за внешнюю грань корпуса и оснащена поворотным силовым элементом управления выдвижной заслонкой. В основе поперечного сечения кольцевой камеры лежит круг, а перемещающиеся внутри нее поршни оснащены маслосъемными уплотнительными кольцами. Камера нагнетания размещена в поворотном цилиндре и оснащена топливо-заборным поршнем, для перемещения которого внутри камеры нагнетания используются стационарные направляющие устройства, встроенные в корпус, и радиальные шлицы, встроенные в силовые элементы управления поворотным цилиндром. Поворотные силовые элементы управления выдвижными заслонками и камерами нагнетания топлива размещены с внешней стороны корпуса, внутри маслосодержащей системы, и представляют собой систему шестерен. Смазка ротора и поршней осуществляется в безнапорной части кольцевой камеры, т.е. на участках расположенных между окном газоотводящей системы и тыловой безнапорной гранью выдвижной заслонки. Окна газоотводящей системы перекрыты жесткими решетками, имитирующими внутреннюю поверхность кольцевой камеры. Ротор и рабочий вал могут крепиться между собой с помощью соединительных шестерен, наружные шлицы которых входят в зацепление с ротором, а внутренние шлицы - в зацепление с рабочим валом.
Двигатель компактный, легкий и, что очень важно в современных условиях, когда фоновый уровень шума на улицах чрезвычайно высок, практически бесшумный и безвибрационный. В нем реализована схема установки выдвижной заслонки, в которой полностью отсутствуют шарниры, размещаемые внутри кольцевой камеры и нуждающиеся в смазке. Двигатель имеет активное воздушное охлаждение, совмещенное с газоотводящей системой, и не нуждается в дополнительной жидкостной системе охлаждения с применением радиаторов, а вопрос смазки взаимодействующих силовых и др. элементов двигателя решен в нем достаточно просто и эффективно. Связано это, в первую очередь с тем, что в двигателе полностью отсутствуют трущиеся элементы, между которыми возникают большие контактные напряжения, и тем, что смазка всех взаимодействующих элементов осуществляется в отсеке кольцевой камеры, в котором через вентиляционное окно постоянно поддерживается давление, близкое к атмосферному. Двигатель обладает большим регулируемым крутящим моментом и большой регулируемой мощностью при работе в широком диапазоне изменения скорости вращения ротора и, поэтому, не нуждается в дополнительном использовании редукторов (коробки передач).
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из секций, каждая из которых включает неразборный блок и установленные на нем монтажные (съемные) рабочие органы, в том числе: рабочий вал, выдвижные заслонки, камеры нагнетания, уплотнительные устройства и др. Неразборный блок состоит из корпуса и размещенного внутри него ротора. На роторе установлены поршни, которые располагаются внутри кольцевой камеры корпуса. Кольцевая камера имеет круглое поперечное сечение и поделена относительно тонкими выдвижными заслонками на рабочие полости, в которых совершается термодинамический процесс. Каждая выдвижная заслонка шарнирно крепится к корпусу посредством состоящей из двух частей соединительной связи. Соединительные связи размещены в соответствующем замкнутом пространстве корпуса, отделенном от кольцевой камеры разделительной стенкой. При вращении ротора размещенные на нем поршни поочередно пересекают створы выдвижных заслонок, перекрывающих за ними кольцевую камеру, и створы камер нагнетания. Управление выдвижными заслонками осуществляется посредством размещенных с внешней стороны корпуса, внутри маслосодержащего блока, например, системой шестерен или других кинематических связей.
Камера нагнетания, используемая для дозированной подачи топлива, расположена во вращающемся цилиндре и оснащена поршнем, с помощью которого осуществляется забор, последующее сжатие и впрыск топлива в камеру расширения. Заправка камеры нагнетания топливом производится в строго фиксированном положении вращающегося цилиндра. Для этого используется расположенная в корпусе двигателя топливоподающая система, которая, при необходимости, может быть оснащена запорным клапаном. Источники воспламенения топлива, поступающего из камеры нагнетания в камеру расширения, расположены на движущихся внутри кольцевой камеры поршнях и представляют собой контактный элемент, постоянно или периодически подключаемый к источнику электрического тока. Противоположно заряженные контактные элементы того же источника электрического тока установлены на выходе из камеры нагнетания. В двигателе предусмотрена возможность дополнительной подачи топливной смеси непосредственно в камеру расширения, минуя камеру нагнетания, в результате чего одновременно можно использовать такие компоненты топлива, которые вместе самостоятельно существовать не могут, например, водород и кислород. В представленном двигателе с воздушной системой охлаждения обеспечено проветривание всех внешних и внутренних поверхностей двигателя, в том числе внутренних полостей камер расширения. Двигатель, состоящий из нескольких секций, обычно оснащается вентилятором, который размещают перед первой секцией или после последней секции. На внешних боковых поверхностях корпуса секций размещены маслосодержащие блоки, подающие в безнапорную часть кольцевой камеры, через специальные каналы и борозды в корпусе, смазку на скрытые трущиеся поверхности ротора.
Секция роторно-поршневого двигателя представлена на чертежах:
фиг. 1 - общий вид. Вид «А»;
фиг. 2 - общий вид. Вид «Б»;
фиг. 3 - разрез 1-1;
фиг. 4 - поперечное сечение 1-1;
фиг. 5 - поперечное сечение 2-2;
фиг. 6 - вид на механизм управления;
фиг. 7 - щека корпуса;
фиг. 8 - ротор;
фиг. 9 - поперечный разрез 2-2;
фиг. 10 - поворотный цилиндр с камерой нагнетания;
фиг. 11 - поперечный разрез 3-3 по камере нагнетания;
фиг. 12 - общий вид шестерни камеры нагнетания;
фиг. 13 - вариант соединения ротора с рабочим валом через промежуточный стопорный элемент. Ротор закреплен на рабочем валу;
фиг. 14 - вариант соединения ротора с рабочим валом через промежуточный стопорный элемент. Ротор и рабочий вал разъединены между собой.
Двигатель состоит из отдельных секций с рабочим валом 1. В каждой секции на роторе 2 жестко закреплены поршни 3, которые движутся внутри кольцевой камеры 4 корпуса 5. Кольцевая камера 4 поделена выдвижными заслонками 6 на рабочие полости, в каждой из которых совершается термодинамический процесс. Рабочие полости включают в себя расположенную за выдвижной заслонкой 6 камеру расширения 7, примыкающую к ней камеру нагнетания 8, которая помещена во вращающемся цилиндре 9, и безнапорный участок рабочей полости, расположенный между вентиляционным окном 10 газоотводящей системы и выдвижной заслонкой 6 смежной (т.е. следующей) рабочей полости.
Выдвижная заслонка 6 соединена с корпусом 5 посредством шарнирно крепящейся соединительной связи, состоящей из двух симметрично расположенных относительно кольцевой камеры 4 частей 11. Части 11 шарнирно крепящейся соединительной связи помещены в нишах 12 и шарнирно закреплены на стенках корпуса 5 посредством двух, симметрично расположенных относительно кольцевой камеры 4, осей 13, на которых в маслосодержащих блоках 14 установлены поворотно-силовые элементы (например, шестерни) 15 выдвижных заслонок 6. Шестерни 15 находятся в зацеплении с аналогичными шестернями управления 16, которые также находятся в зацеплении с поворотно-силовыми элементами (шестернями) 17 камеры нагнетания 8.
Поршень 3 ротора 2 имеет поверхность 18 изолирующую в определенный момент камеру нагнетания 8 и оснащен электрическим контактным элементом 19. Электрические контактные элементы 20 противоположно заряженного знака также расположены между камерой расширения 7 и выпуском из камеры нагнетания 8.
Внутри камеры нагнетания 8 помещен топливо-заборный поршень 21 с пружинным механизмом. Топливо-заборный поршень 21 через шток соединен с элементом 22. Топливоподающая в камеру нагнетания 8 система 23 может быть оснащена запорным клапаном (на рисунках не показано). В корпусе 5, на контакте с вращающимся цилиндром 9, расположены направляющие устройства 24. Перемещение элемента 22 внутри направляющего устройства 24, следовательно перемещение топливо-заборного поршня 21 внутри камеры нагнетания 8, происходят при вращении цилиндра 9, под воздействием шестерни 17 на элемент 22, который участком «В» (фиг. 10) входит во внутрь радиального шлица 25 шестерни 17.
На рисунках представлен вариант секции двигателя с воздушным охлаждением, в котором за один оборот ротора может совершаться от четырех до восьми термодинамических циклов.
На примере термодинамического процесса (цикла), происходящего в одной рабочей полости, можно представить работу отдельной секции и многосекционного двигателя в целом.
Термодинамические процессы, происходящие в каждой рабочей полости секции двигателя, управляются через оснащенные полозом 26 шестерни управления 16, а жесткая синхронизация всех процессов совершающихся в секции обеспечивается через контур управления, выполненный в боковой поверхности ротора 2. Конструктивно это выглядит следующим образом. Полоз 26 шестерни управления 16 через прорезь 27 в корпусе 5 входит в паз 28 контура управления, выполненного в боковой поверхности ротора 2. От того по какому маршруту паза 28 контура управления движется полоз 26 зависит возможность совершения или не совершение термодинамического процесса в рабочей камере. Если полоз 26 прижат к внутренней стенке паза 28 контура управления, то шестерня управления 16 и, следовательно, находящиеся с ней в зацеплении шестерни 15 и 17 будут неподвижны, а выдвижная заслонка 6 и поворотный цилиндр 9 с камерой нагнетания 8 при вращении ротора 2 будет находиться внерабочем состоянии, то есть выдвижная заслонка 6 будет выведена из кольцевой камеры 4. В этом случае камера нагнетания 8, встроенная во вращающийся цилиндр 9, находится в положении забора топливной смеси из топливоподающей системы 23. Если при вращении ротора 2 полоз 26 прижат к внешней стенке паза 28 контура управления, то шестерня управления 16 и следующие вместе с ней шестерни 15 и 17 переводят в рабочее положение выдвижные заслонки 6 и камеры нагнетания 8. Так при нахождении полоза 26 в секторе L1 (фиг. 8) выдвижная заслонка 6 располагается вне кольцевой камеры 4, а камера нагнетания 8 - в положении забора топлива. При переходе полоза 26 в сектор L2 происходит поворот (перемещение) выдвижной заслонки 6 до ее вхождения в кольцевую камеру 4 и перемещение поворотного цилиндра 9 с камерой нагнетания 8 в сторону контактных элементов 20. При вхождении полоза 26 в сектор L3 выдвижная заслонка 6 перемещается во внутрь кольцевой камеры 4 и перекрывает ее. При нахождении полоза 26 в секторе L4 выдвижная заслонка 6 полностью перекрывает кольцевую камеру 4 и совершается термодинамический процесс. Пограничный участок между секторами L2 и L3 характеризует плавное снижение динамики выдвижной заслонки 6 и ее демпфирование за счет обжатия уплотнительных устройств и других, предусмотренных для этого, элементов. Началом процесса является впрыск в камеру расширения 7 топливной смеси и последующее ее воспламенение от электрического разряда между расположенным на поршне 3 электрическим контактным элементом 19 и стационарным контактным элементом 20. При переходе полоза 26 в секторе L5 поршень 3 пересекает створ окна 10 вентиляционной системы и выдвижная заслонка 6 выводится из кольцевой камеры 4. На этом термодинамический процесс в камере расширения 7 заканчивается и продукты горения поршнями 3 и вентиляторами выводятся через окно 10.
Принцип работы камеры нагнетания 8 состоит в следующем. В крайнем фиксированном положении №1 поворотного цилиндра 9 и, следовательно, камеры нагнетания 8, когда полоз 26 находится в секторе L1, топливная смесь поступает из топливоподающей системы 23 в камеру нагнетания 8, в которой к этому моменту топливо-заборным поршнем 21 был создан вакуум. При переходе поворотного цилиндра 9 и камеры нагнетания 8 в крайнее фиксированное положение №2, когда полоз 26 располагается в секторе L4 и совершается термодинамический процесс, топливо-заборный поршень 21 на протяжении секторов L2 и L3 сжимает находящуюся в камере нагнетания 8 топливную смесь. После завершения термодинамического процесса давление в камере нагнетания 8 падает и пружинный механизм топливо-заборного поршня 21 выталкивает из нее остатки продуктов горения. При переходе полоза 26 в сектор L5 элемент 22, толкаемый радиальным шлицом 25 шестерни 17 по направляющей прорези 24 корпуса 5, перемещаясь вдоль камеры нагнетания 8 создает в ней вакуум, который в фиксированном положении №1 вновь заполняется топливной смесью.
Для обеспечения герметичности между камерой нагнетания 8 с корпусом 5, при переходе ее из положения №1 в положение №2 и, наоборот, из положения №2 в положение №1, поворотный цилиндр 9 снабжен прижимными устройствами, встроенными в опорные его части.
Для охлаждения двигателя его ротор 2 оснащен теплообменными вентиляционными лопастями 29 и предусмотрены автономные вентиляторы.
Герметичность между стенками камеры расширения 7 и поршнем 3 обеспечивается установленными на поршне маслосъемными уплотнительными кольцами 30, смазка которых осуществляется в безнапорной части кольцевой камеры 4, посредством смазочного контура 31, встроенного в стенку кольцевой камеры. Герметичность выдвижной заслонки 6 обеспечивается уплотнительными устройствами и другими конструктивными мероприятиями, например, установкой связей 11 с выдвижной заслонкой 6 на оси 13 с эксцентриситетом по отношению к шестерне 15.
Смазка трущихся и взаимодействующих между собой деталей двигателя осуществляется с помощью маслосодержащих блоков 14, установленных снаружи корпуса 5, на его боковых сторонах. Смазка контактов между ротором 2 и корпусом 5 осуществляется через специальные каналы и борозды, выполненные в корпусе двигателя.
В кольцевой камере 4 вентиляционные окна 10 перекрыты решетками, имитирующими стенку кольцевой камеры.
Для монтажа выдвижной заслонки 6 в корпусе 5, над нишей 12, размещается специальное окно 32. На рабочем валу 2, по обе стороны корпуса 5, установлены стяжные муфты 33.
При закреплении ротора 2 на рабочем валу 1 через промежуточные соединительные (стопорные) шестерни 34, наружные шлицы которых входят в зацепление с ротором 2, а внутренние шлицы - в зацепление с валом 1, появляется уникальная возможным полного отключения отдельных секций от работающего двигателя (будь то по экономическим соображениям или в связи с их неисправностью). Для этого соединительные шестерни 34 перемещаются вдоль рабочего вала 1 и выводятся из зоны зацепления с ротором 2. В работающем двигателе данная операция возможна тогда, когда термодинамические процессы во всех рабочих полостях отключаемой секции приостановлены.
Представленный принцип соединения ротора с валом позволяет в одном двигателе использовать секции с разнонаправленными крутящими моментами, которые могут включаться только попеременно. По аналогичной схеме на рабочий вал могут быть «нанизаны» электродвигатели и генераторы электроэнергии (с некоторой их доработкой).
Основой работоспособности и надежности двигателя является использование специальных высокоточных технологий. Например, доводка кольцевой камеры 4 неразборного блока секции двигателя может осуществляться на стенде предварительной сборки корпуса 5, с использованием специального «доводочного» ротора и др. оборудования. Вращающийся цилиндр 9 с камерой нагнетания 8 может быть помещен, например, в специальный высокоточный монтажный блок, который устанавливается в соответствующее гнездо корпуса 5.
Вместо контактных элементов 19 и 20 системы зажигания могут использоваться, например, электрические элементы накаливания. Возможны также варианты установки системы зажигания непосредственно в камере нагнетания 8 топлива или на вращающемся цилиндре 9. При установке на рабочем валу 1 электродвигателя и генератора электроэнергии, с использованием стопорных шестерен 34, двигатель внутреннего сгорания преобразовывается в гибридный двигатель и т.д.
С передней стороны многосекционный двигатель должен быть закрыт защитным кожухом, препятствующим попаданию в него посторонних предметов и атмосферной влаги. Перед запуском такого двигателя «на морозе» через него предварительно прогоняется теплый воздух.
В представленной на чертежах работающей секции за один оборот может совершаться от одного до восьми термодинамических циклов, а в трехсекционном двигателе, соответственно, от одного до 24-х термодинамических циклов. При размещении на роторе, например, 4-х поршней максимальное количество термодинамических циклов соответственно удваивается.