РОТОРНО-ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности, к роторно-турбинным двигателям, используемым преимущественно в транспортной технике.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с цилиндрической рабочей камерой, ограниченной с торцов боковыми крышками и снабженной входным и выходным отверстиями, ротор, установленный в рабочей камере на выходном валу и имеющий качающиеся рабочие органы с криволинейной поверхностью. (Патент РФ № 1518555, МПК F 02 B 53/00. Роторный двигатель внутреннего сгорания. Опубликован 30.10.1989г. Бюллетень № 40). Механизм привода рабочих органов имеет два соосных вала - выходной ведущий вал, связанный с ротором при помощи двуплечного рычага, и вспомогательный ведомый вал, связанный с ротором дополнительным двуплечным рычагом. В этом техническом решении каждый рабочий орган выполнен в виде угольника из сопряженных под углом боковых крыльев, боковые крылья смежных рабочих органов шарнирно соединены между собой и с механизмом привода, а рабочая камера ограничена наружной поверхностью продольного крыла, цилиндрической поверхностью корпуса и боковыми стенками корпуса. Сжатие воздуха в двигателе осуществляется за счет поворота смежных крыльев ротора и ведомого вала. К недостатку известного технического решения следует отнести наличие вспомогательного ведомого вала, вращающегося к тому же с переменной по углу поворота ведущего вала скоростью, что обусловливает сложность конструкции двигателя. Кроме того, в этом решении в рабочем цикле участвует только рабочая камера за наружной поверхностью крыльев. Пространство под крыльями для рабочего цикла не используется.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий ротор с продольными створками, установленный в цилиндрическом корпусе, на торцевой стенке которого размещена замкнутая направляющая овальной формы (Патент США № 5261365, МПК F 02 B 53/00. Роторный двигатель внутреннего сгорания. Опубликован 16.11.1993г.). Продольные створки шарнирно прикреплены к ротору в области его наружного диаметра вдоль оси вращения ротора и отделяют объем сжатия от рабочего объема двигателя, которые расположены по обе стороны от каждой створки. Замкнутая направляющая контактирует с водилами створок, а объем сжатия и рабочий объем двигателя соединяются каналом газообмена. Цилиндрический корпус снабжен входным
и выходным отверстиями. В этом техническом решении в рабочем цикле двигателя участвуют обе поверхности створки и, соответственно, оба объема, расположенные по разные стороны створки: один в - качестве объема сжатия и второй - в качестве рабочего объема. К недостаткам изобретения относятся следующие: сложность конструкции двигателя; утечка газовой смеси через пазы в стенке ротора и в стенке корпуса; попытка уменьшения утечки газа за счет утолщения стенки створки уменьшает объем сжатия и рабочий объем двигателя; водило створки расположено в зоне высоких температур, где сложно добиться эффективного охлаждения.
Наиболее близким техническим решением является роторный двигатель внутреннего сгорания, в полом цилиндрическом корпусе которого установлен ротор цилиндрической формы, который содержат разделительные пластины (Патент РФ № 2084659, МПК № F 02 B 53/00. Роторный двигатель внутреннего сгорания. Опубликован 20.07.1997г.). Разделительные пластины установлены в корпусе и имеют привод от распределительного вала. На поверхности ротора, параллельно оси его вращения выполнены площадки, попарно симметричные друг другу, с радиусом кривизны, большим радиуса ротора. Для упрощения технологии сборки ротор выполнен разборным. В корпусе двигателя может быть установлено разделительное кольцо с перепускными окнами, снабженными обратными клапанами, которое служит для разделения объемов сжатия и объемов сгорания, которые ограничены также разделительными пластинами. Рабочая камера может иметь меньший объем, чем камера сжатия. К недостаткам этого технического решения относятся: сложность конструкции двигателя внутреннего сгорания, большой расход энергии на сжатие горючей смеси, а также относительно невысокие обороты двигателя.
Перед автором стояла задача устранить указанные недостатки и создать экономичный, мощный и экологически чистый двигатель внутреннего сгорания несложной конструкции.
Для решения поставленной задачи предлагается заявляемый роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с полостью цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, установленный внутри полости цилиндрической формы, ось вращения которого совпадает с продольной осью полости цилиндрической формы, отличающийся тем, что на поверхности ротора вдоль оси вращения ротора размещена радиальная лопасть, крайняя часть радиальной лопасти образует минимальный зазор с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы, а вне полости
цилиндрической формы размещена разделительная пластина, выполненная с возможностью перемещения внутрь полости цилиндрической формы по направлению к оси вращения ротора до его поверхности и обратно. На поверхности ротора вдоль оси вращения ротора может быть размещена, по крайней мере, одна дополнительная радиальная лопасть, крайняя часть которой образует минимальный зазор с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы. В этом частном решении вне полости цилиндрической формы устанавливают, по крайней мере, одну дополнительную разделительную пластину, выполненную с возможностью перемещения внутрь полости цилиндрической формы по направлению к оси вращения ротора до его поверхности и обратно. Количество дополнительных радиальных лопастей в этом случае равно количеству разделительных пластин, а двигатель снабжен дополнительными впускными и выпускными отверстиями, причем впускные отверстия размещены за каждой разделительной пластиной, а выпускные отверстия размещены перед следующей разделительной пластиной по ходу вращения ротора. Целесообразно радиальные лопасти и разделительные пластины размещать симметрично относительно оси вращения ротора соответственно. Впускные и выпускные отверстия могут быть снабжены клапанами, а внутри полости цилиндрической формы вблизи впускных отверстий можно разместить, по крайней мере, по одной свече зажигания. В частном случае выполнения заявляемого технического решения двигатель снабжен дополнительными камерами сгорания, расположенными снаружи полости цилиндрической формы в области впускных отверстий. Радиальная лопасть может быть выполнена сборной, причем часть радиальной лопасти, образующая минимальный зазор с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы, может быть выполнена с возможностью перемещения в неподвижной части лопасти по направлению к оси вращения ротора и обратно. При размещении ротора на валу целесообразно вал выполнять длиннее, ротора, чтобы концы вала были расположены снаружи полости цилиндрической формы за боковыми крышками.
Техническим результатом заявляемого изобретения является преобразование тепловой энергии сгорания топлива в механическую энергию, которая вращает ротор, турбину двигателя. Кроме того, заявляемое изобретение может использоваться как компрессор или насос.
На фиг.1 представлен поперечный разрез заявляемого двигателя с одной радиальной лопастью, одной разделительной пластиной, впускным и выпускным отверстиями.
На фиг.2 представлен поперечный разрез заявляемого двигателя с двумя радиальными лопастями, двумя разделительными пластинами, двумя впускными отверстиями, снабженными клапанами и двумя выпускными отверстиям.
На фиг.3 представлен поперечный разрез заявляемого двигателя, имеющего три радиальные лопасти, три разделительные пластины, три впускных отверстия, снабженных клапанами, три выпускных отверстия и три дополнительные камеры сгорания.
На фиг.4 представлен продольный разрез заявляемого двигателя.
На фиг.5 представлен поперечный разрез радиальной лопасти с крайней частью, выполненной с возможностью перемещения в неподвижной части лопасти по направлению к оси вращения ротора и обратно.
На фиг.6 представлен продольный разрез радиальной лопасти с крайней частью, выполненной с возможностью перемещения в неподвижной части лопасти по направлению к оси вращения ротора и обратно.
На фиг.7 представлен поперечный разрез сборной боковой крышки.
На фиг.8 представлен поперечный разрез заявляемого двигателя, в котором ротор и лопасть выполнены как единый элемент.
Роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания, содержит корпус с полостью цилиндрической формы 1, ограниченную с торцов съемными крышками 2, непосредственно контактирующими с торцами ротора 3 и боковым поверхностями радиальной лопасти 4 (Фиг.1). Ротор 3 установлен внутри полости цилиндрической формы 1. На поверхности ротора 3 вдоль оси вращения ротора 3 размещена, по крайне мере, одна радиальная лопасть 4, крайняя часть 11 радиальной лопасти 4, удаленная от поверхности ротора 3, образует минимальный зазор с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы 1. Вне полости цилиндрической формы 1 размещена, по крайней мере, одна разделительная пластина 5, выполненная с возможностью перемещения внутрь полости цилиндрической формы 1 по направления к оси вращения ротора 3 до его поверхности и обратно. Количество радиальных лопастей 4 равно количеству разделительных пластин 5 (Фиг.2 и 3). Двигатель имеет впускные отверстия 6 и выпускные отверстия 7. Впускные отверстия 6 размещены за каждой разделительной пластиной 5, а выпускные отверстия 7 размещены перед следующей разделительной пластиной 5 по ходу вращения ротора (Фиг.4). Впускные отверстия 6 и выпускные отверстия 7 могут быть снабжены клапанами 8 (или форсунками в случае впускных отверстий). Внутри полости цилиндрической формы 1 вблизи впускных
отверстий 6 можно разместить, по крайней мере, по одной свече зажигания (накаливания) 9. В частном случае выполнения заявляемого технического решения двигатель снабжен дополнительными камерами сгорания 10, расположенными снаружи полости цилиндрической формы 1 в области впускных отверстий б (Фиг.3). Радиальная лопасть 4 может быть выполнена сборной (Фиг.5 и 6), причем часть 11 радиальной лопасти 4, образующая минимальный зазор с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы 1, выполнена с возможностью перемещения по направлению к оси вращения ротора 3 и обратно с помощью пружины 12 в неподвижном основании 13 радиальной лопасти 4. Ротор 3 устанавливают, используя подшипники, закрепленные в боковых крышках 2, или размещают на валу 14 Фиг.4). В случае, если вал 14 выполнен длиннее ротора 3 и выходит за боковые крышки 2 двигателя, его вращательное движение удобно использовать, присоединяя к выходящим концам вала 14 передаточный механизм. Ротор 3 можно выполнять полым, размещая внутри ротора 3 лопасти турбины 15, выполняющие одновременно функцию охлаждения ротора 3. Лопасти турбины 15 также могут служить в качестве крепежного приспособления ротора 3 к валу 14.
Роторно-турбинный двигатель работает следующим образом. При движении радиальной лопасти 4 от разделительной пластины 5 находящейся в крайнем положении вблизи поверхности ротора 3 через открытый впускной клапан 8, в отсек полости цилиндрической формы 1, образованный разделительной пластиной 5 и радиальной лопастью 4 и внутренней поверхностью боковых крышек 2, поступает горючая смесь, впускной клапан 8 закрывается, на свечу зажигания 9 подается электрический импульс, и происходит воспламенение горючей смеси. В этот момент образовавшаяся горючая смесь начинает действовать высокой тепловой энергией на радиальную лопасть 4, вращая ротор 3 по направлению от разделительной пластины 5. При повороте ротора 3 до положения, в котором радиальная лопасть 4 проходит выпускное отверстие 7, выталкивая через выпускное отверстие 7 в первом цикле работы двигателя воздух, а в последующих циклах -продукты сгорания горючей смеси, разделительная пластина 5 перемещается из полости цилиндрической формы 1 в крайнее положение от оси вращения ротора 3. При дальнейшем повороте ротора 3, после того, как радиальная лопасть 4 переместится за разделительную пластину 5, последняя вновь опускается в крайнее положение вблизи поверхности ротора 3, и цикл повторяется снова. Для обеспечения оптимального режима работы двигатель снабжают системой охлаждения 16.
В случае, если двигатель снабжен несколькими радиальными лопастями 4 и таким же количеством разделительных пластин 5, при движении радиальных лопастей 4 в направлении от разделительных пластин 5, находящихся в положении вблизи поверхности ротора 3, через открытые впускные клапаны 8 в каждый отсек полости цилиндрической формы 1, образованный соответствующими разделительной пластиной 5 и радиальной лопастью 4 и внутренней поверхностью боковых крышек 2, поступает горючая смесь. Затем впускные клапаны 8 одновременно закрываются, горючая смесь в каждом отсеке воспламеняется, и происходит сгорание горючей смеси. Далее двигатель работает, как описано выше. При такой конструкции двигателя в каждом отсеке полости цилиндрической формы 1 происходит преобразование тепловой энергии сгорающей горючей смеси в механическую, и мощность двигателя увеличивается. За один оборот ротора 3 осуществляется столько циклов, сколько радиальных лопастей 4 и, соответственно, разделительных пластин 5 размещено в двигателе. Перемещение разделительных пластин 5 по направлению к оси вращения ротора 3 до его поверхности и обратно можно осуществлять с помощью механического привода ( на фиг. не показан), например, распределительного вала, или электромагнитного привода.
При размещении дополнительных камер сгорания 10 вне полости цилиндрической формы 1, через впускные отверстия 6, снабженные клапанами 8 в каждый отсек полости цилиндрической формы 1, образованный соответствующими разделительной пластиной 5 и радиальной лопастью 4 и внутренней поверхностью боковых крышек 2, вместо горючей смеси поступает уже воспламененная смесь, и далее двигатель работает, как описано выше. Достоинством такой конструкции двигателя является повышение его мощности, а также возможность использования дизельного топлива.
Радиальная лопасть 4 заявляемого двигателя может быть выполнена сборной. При этом подвижная крайняя часть 11 радиальной лопасти 4, выталкивается от основания 13 лопасти 4, например, при помощи пружины 12, что обеспечивает более плотный контакт крайней части 11 лопасти 4 с внутренней поверхностью полости цилиндрической формы 1. В результате улучшается герметичность отсеков полости цилиндрической формы 1, образованных соответствующими разделительными пластинами 5 и радиальными лопастями 4 и внутренней поверхностью боковых крышек 2. Боковые крышки 2 целесообразно выполнять сборными (Фиг.7). В этом случае к основанию 17 боковой крышки 2 прикрепляется диск 18, с радиусом
практически равным внутреннему радиусу поперечного сечения полости цилиндрической формы 1, причем диск выполнен с возможностью перемещения внутрь полости цилиндрической формы 1 при помощи специального регулировочного механизма 19. Такое устройство боковых крышек 2 позволяет, по мере необходимости, вдвигать диск 18 в полость цилиндрической формы 1 и таким образом предотвращать нарушение герметичности внутри двигателя вследствие износа трущихся боковых поверхностей ротора 3, радиальных лопастей 4 и внутренних поверхностей крышек 2.
Герметичность отсеков, образованных разделительными пластинами 5 и радиальными лопастями 4 и внутренними поверхностями боковых крышек 2, обеспечивается также системой смазки (на фиг. не показана), которой дополнительно снабжен двигатель. Одновременно система смазки способствует уменьшению изнашиваемости подвижных частей двигателя.
В частном случае реализации заявляемого технического решения ротор 3 и радиальные лопасти 4 могут быть выполнены как единый элемент (Фиг.8), что позволяет варьировать форму лопастей в зависимости от назначения двигателя и условий его работы.
Использование изобретения позволит создать мощный, экологически чистый роторно-турбинный двигатель с высокой степенью надежности.