РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY PISTON ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен роторно-поршневой двигатель (Патент РФ №2030594, МПК F01B 13/04 «Поршневая машина», опубл. 10.03.1995 г.), содержащий входной и выходной валы, две пары оппозитно расположенных цилиндров с поршнями с взаимно перпендикулярными осями и два дугообразных элемента, смонтированных с возможностью вращения вокруг параллельных осей и кинематически связанных с цилиндрами и поршнями с возможностью относительного перемещения поршней и цилиндров, при этом цилиндры жестко соединены с образованием крестовины, на крестовине жестко закреплен промежуточный вал, расположенный перпендикулярно осям цилиндров и лучам крестовины и снабженный первым зубчатым колесом, на выходном валу установлено второе зубчатое колесо с возможностью постоянного зацепления с первым колесом при его циклическом пространственном перемещении вместе с промежуточным валом и крестовиной, а штоки с поршнями смонтированы на дугообразных элементах.
Недостатком известного технического решения является сложность его конструкции, обусловленная наличием крестовины специфической формы, для изготовления которой требуется сложное дорогостоящее оборудование. Дугообразные элементы создают на валу двухсторонние, радиально направленные нагрузки, снижающие КПД и ограничивающие ресурс его работы. Кроме того, они создают инерционные нагрузки и увеличивают размеры двигателя.
Наиболее близким по технической сущности является роторно-поршневой двигатель (см. патент РФ №2322596, МПК F02B 57/06, F01B 13/04 F02B 33/20, опубликованный 20.04.2008 г.), содержащий корпус, картер, установленный с возможностью вращения (ротор), на котором жестко закреплен блок цилиндров в виде попарно соединенных рабочих и нагнетательных цилиндров с поршнями, при этом оси рабочих цилиндров смещены в противоположные стороны от оси вращения ротора, выходной вал (вал ротора), жестко соединенный с картером, и полую опорную ось, нагнетательную камеру, расположенную внутри картера и соединенную с подпоршневым пространством и полой опорной осью, механизм преобразования движения поршней, выполненный в виде шатунов, шарнирно соединенных с поршнями цилиндров и попарно установленных с возможностью вращения на неподвижных осях, которые смещены в противоположные стороны от оси вращения блока цилиндров, а также системы газораспределения, зажигания и охлаждения.
Конструктивное решение известного роторно-поршневого двигателя позволяет упростить двигатель и повысить его ремонтоспособность путем использования унифицированных узлов, а также повысить надежность уплотнения и охлаждения цилиндров.
Недостатком известного роторно-поршневого двигателя является значительный гироскопический момент, что увеличивает опрокидывающий момент двигателя, расположение свечей зажигания на вращающихся рабочих цилиндрах вызывает сложности при запуске двигателя, крепление шатунов цилиндров на смещенных относительно друг друга двух осях усложняет обслуживание и ремонт двигателя, в частности, требует полной разборки кривошипно-шатунного механизма при ремонте двигателя, наличие обратных клапанов, усложняющих систему газораспределения.
Технический результат предусматривает уменьшение инерционных сил и вибрации, повышение надежности запуска двигателя, упрощение и удешевление системы газораспределения.
Указанный технический результат достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе, содержащем неподвижный корпус, ротор, в котором жестко закреплены нагнетательные и рабочие цилиндры с поршнями, нагнетательную камеру, расположенную внутри ротора, механизм преобразования движения поршней, выполненный в виде шатунов, шарнирно соединенных с поршнями цилиндров и установленных с возможностью вращения, при этом шатуны рабочих цилиндров выполнены дугообразной формы, оси рабочих цилиндров смещены в противоположные стороны от оси вращения ротора, а также системы газораспределения, зажигания и охлаждения, согласно изобретению корпус снабжен поперечными впускным и выпускным каналами, расположенными напротив нагнетательных и рабочих цилиндров в момент впуска воздуха и выпуска отработанных газов соответственно, внутренняя поверхность корпуса выполнена цилиндрической формы и снабжена эксцентричной расточкой, расположенной в зоне впускного канала, цилиндры снабжены подпружиненными уплотнительными элементами, установленными с возможностью осевого перемещения, нагнетательный цилиндр и расположенный в нем уплотнительный элемент снабжены отверстиями, совпадающими между собой в момент перепуска воздуха в нагнетательную камеру, шатуны цилиндров шарнирно установлены на неподвижном одноколенном валу.
Выполнение корпуса со сквозными поперечными впускным и выпускным каналами, расположенными напротив нагнетательных и рабочих цилиндров в момент впуска воздуха и выпуска отработанных газов соответственно, позволяет простыми средствами без дополнительных коммуникаций производить впуск воздуха в нагнетательный цилиндр и далее перепуск его в нагнетательную камеру, и выпуск отработанных газов из рабочего цилиндра.
Выполнение в нагнетательных цилиндрах кольцевой цилиндрической расточки, в которой установлен с возможностью радиального перемещения подпружиненный уплотнительный элемент, наличие в цилиндрах и уплотнительных элементах радиально расположенных отверстий, перекрытых в момент впуска воздуха в нагнетательный цилиндр и совпадающих между собой в момент перепуска воздуха в нагнетательную камеру, а также выполнение на внутренней поверхности корпуса эксцентрично выполненной расточки, расположенной в зоне впускного канала, позволяет надежно производить уплотнение цилиндров при впуске воздуха в нагнетательный цилиндр и перепуске его в нагнетательную камеру.
Выполнение корпуса с внутренней цилиндрической поверхностью, в котором расположен ротор, позволяет создать экономичный и компактный двигатель без наружных вращающихся элементов, что позволяет уменьшить вибрацию и сделать его более безопасным в работе.
Выполнение шатунов рабочих цилиндров дугообразной формы и смещение осей рабочих цилиндров в противоположные стороны от оси вращения ротора смягчает горизонтальную составляющую силы давления поршня на стенку цилиндра, что повышает крутящий момент, а следовательно, эффективность работы роторно-поршневого двигателя.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «новизна».
Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» доказано на примере конкретного выполнения роторно-поршневого двигателя.
На фигуре 1 изображено продольное сечение роторно-поршневого двигателя по оси цилиндров.
На фигуре 2 изображено сечение А-А фигуры 1
На фигуре 3 изображено сечение Б-Б фигуры 1
Роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный корпус 1, ротор 2, в котором жестко закреплены нагнетательные цилиндры 3 и рабочие цилиндры 4 с поршнями 5 и 6 соответственно, нагнетательную камеру 7, расположенную внутри ротора 2, механизм преобразования движения поршней, выполненный в виде шатунов 8 нагнетательных цилиндров 3 и шатунов 9 рабочих цилиндров 4. Шатуны 8 и 9 шарнирно соединены с поршнями 5 и 6 цилиндров 3 и 4, соответственно, и установлены с возможностью вращения на неподвижном одноколенном валу 10. Шатуны 9 рабочих цилиндров 4 выполнены дугообразной формы. Для плавной передачи крутящего момента оси рабочих цилиндров смещены в противоположные стороны от оси вращения ротора по ходу его вращения. Корпус 1 выполнен с цилиндрической внутренней поверхностью и снабжен сквозными поперечными каналами: впускным каналом 11 и выпускным каналом 12. Впускной канал 11 начинается после прохождения нагнетательным цилиндром 3 верхней мертвой точки и заканчивается, не доходя нагнетательным цилиндром 3 нижней мертвой точки. Впускной канал 11 расположен таким образом, чтоб в период впуска воздуха в нагнетательный цилиндр 3, последний был расположен напротив впускного канала 11 (см. фиг.2). Выпускной канал 12 расположен таким образом, чтоб в период выхлопа и продувки рабочего цилиндра 4 он был напротив рабочего цилиндра 4 (см. фиг.3). На внутренней поверхности корпуса 1 выполнена эксцентричная расточка 13, расположенная в зоне впускного канала 11. В кольцевых расточках (не показаны) цилиндров 3 и 4 со стороны наружного торца расположены подпружиненные уплотнительные элементы 14 цилиндрической формы, установленные с возможностью перемещения вдоль оси цилиндров 3 и 4. Торцовая поверхность уплотнительных элементов 14 выполнена с радиусом, соразмерным радиусу корпуса 1. Нагнетательные цилиндры 3 снабжены перепускными отверстиями 15. Уплотнительные элементы 14 нагнетательных цилиндров 3 выполнены с отверстиями 16, которые в момент перепуска воздуха из нагнетательного цилиндра 3 в нагнетательную камеру 7 совпадают с отверстиями 15 нагнетательного цилиндра. Рабочие цилиндры 4 снабжены окнами 17 для впуска воздуха в камеру сгорания и продувки цилиндра 4. Ротор 2 снабжен перепускными каналами 18, расположенными вдоль нагнетательных 3 и рабочих 4 цилиндров напротив отверстий 16 и 17 соответственно. На наружной поверхности ротора установлены уплотнения 19, контактирующие с корпусом 1 и разделяющие в зазоре между корпусом 1 и ротором 2 впускной канал 11 и выпускной канал 12. Корпус 1 снабжен крышками 20 и 21. Вал 10 с одной стороны неподвижно закреплен в крышке 21, с другой стороны в торце ротора 2 на подшипнике 22. Вал 23 ротора 2 закреплен в крышке 20 на подшипниках 24. Ротор 2 установлен в крышке 21 при помощи подшипника 25. Системы газораспределения, зажигания и охлаждения на чертеже не показаны.
Роторно-поршневой двигатель работает следующим образом.
Во время запуска двигателя цилиндрический ротор 2 вращается внутри неподвижного корпуса 1, относительно неподвижного одноколенного вала 10. Механизм преобразования движения поршней 5 и 6, выполненный в виде шатунов 8 и 9, шарнирно соединенных с поршнями 5 и 6 и установленных с возможностью вращения на одноколенном валу 10, работает по принципу кривошипно-шатунного механизма. При этом поршни 5 и 6 совершают возвратно-поступательное движение внутри цилиндров 3 и 4. При прохождении нагнетательного цилиндра 3 в зоне впускного канала 11 его поршень 5 начинает движение от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, тем самым увеличивая внутренний объем цилиндра 3 и набирая в него воздух из впускного канала 11. Цилиндрический уплотнительный элемент 14 перемещается в кольцевой расточке (не показана на чертеже) в направлении корпуса 1 за счет центробежных сил и взаимодействует с расточкой 13 в зоне ее максимального эксцентриситета. В этот момент уплотнительный элемент 14 максимально выдвинут из кольцевой расточки цилиндра 3. При этом отверстие 15 уплотнительного элемента 14 перекрыто стенкой цилиндра 3. А перепускные отверстия 16 нагнетательного цилиндра 3 перекрыты стенкой уплотнительного элемента 14. При движении поршня 5 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке происходит всасывание воздуха в нагнетательный цилиндр 3. Впускной канал 11 начинается после прохождения нагнетательным цилиндром 3 верхней мертвой точки и заканчивается, не доходя нагнетательным цилиндром 3 нижней мертвой точки. При достижении поршнем 5 нагнетательного цилиндра 3 нижней мертвой точки впускной канал 11 в корпусе 1 заканчивается и начинается такт сжатия. В такте сжатия поршень 5 нагнетательного цилиндра 3 начинает свое движение от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Синхронно с ним перемещается цилиндрический уплотнительный элемент 14. В это время радиально расположенные перепускные отверстия 16 нагнетательного цилиндра 3 и отверстия 15 в уплотнительном элементе 14 совмещаются, и начинается процесс перепуска воздуха через каналы 18 в нагнетательную камеру 7, в которой происходит предварительное сжатие воздуха. В верхней мертвой точке перепуск воздуха из цилиндра 3 в нагнетательную камеру 7 заканчивается.
Во время прохождения поршня 6 рабочего цилиндра 4 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке происходит открытие окон 17, и в рабочий цилиндр из нагнетательной камеры 7 поступает находящийся там под давлением воздух. Свежий воздух, который в этот момент находится напротив рабочего цилиндра 4 и заполняет собой камеру сгорания. При движении поршня 6 рабочего цилиндра 4 к верхней мертвой точке выпускной канал 12 закрывается, окна 17 закрываются, происходит такт сжатия. Не доходя до верхней мертвой точки цилиндра 4, происходит впрыск топлива, его перемешивание с воздухом и воспламенение с помощью системы зажигания. Расширившиеся газы давят на поршень 6, который через стенку цилиндра 4 передает вращательный момент на ротор, и происходит движение поршня 6 рабочего цилиндра 4 к нижней мертвой точке. На подходе поршня 6 рабочего цилиндра 4 к нижней мертвой точке открывается выпускной канал 12 в корпусе 1, через который удаляются отработавшие газы, и открываются окна 17, через которые происходит продувка рабочего цилиндра 4 и наполнение его свежим воздухом из нагнетательной камеры 7. После чего выпускной канал 12 заканчивается, уплотнительный элемент 14 начинает свое движение по внутренней поверхности корпуса 1, при этом поршень 6 идет вверх, закрывает впускные окна 17, и начинается такт сжатия. И далее цикл работы повторяется.