РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
ROTOR-PISTON ENGINE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторно-поршневым двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.
Уровень техники
Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля, включающий цилиндрический корпус (статор) и трехгранный ротор-поршень. Внутренняя поверхность корпуса (цилиндра) в поперечном сечении выполнена по эпитрохоиде. Внутри корпуса движется трехгранный ротор-поршень, который постоянно разделяет камеру на рабочие зоны, в которых происходят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. При этом роль поршней выполняют три стороны ротора, а на углах ротора установлены уплотнения. Ротор-поршень установлен свободно на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала (Ротопоршневые двигатели [сб. статей]. Госуд. союзный научно-исследовательский тракторный институт (Труды НАТИ). Выпуск 179. М.: ОНТИ, 1968 (с.11-14).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии полого корпуса с цилиндрической внутренней поверхностью и установленного внутри корпуса с возможностью вращения ротора.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что ротор (ротор-поршень) установлен на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена в виде прямого кругового цилиндра с двумя торцевыми крышками, ротор, эксцентрично установленный в корпусе и имеющий радиальные пазы, в которых установлены лопасти с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также системы топливоподачи и газообмена, при этом ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений (Патент RU №2011866 С1, М. кл. F02B 53/00, опубликовано 1990.04.30).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии цилиндрического корпуса, ротора с радиальными пазами, установленного в корпусе с возможностью вращения, и лопастей, установленных в радиальных пазах ротора с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также в наличии расположенных в стенке корпуса элементов подачи рабочего тела и элементов газообмена.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что внутренняя рабочая поверхность корпуса выполнена в виде прямого кругового цилиндра, а ротор установлен с эксцентриситетом относительно оси симметрии внутренней рабочей поверхности корпуса, что является причиной существенной неуравновешенности внутренних сил двигателя.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении действия на двигатель внутренних неуравновешенных сил в процессе вращения ротора.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в устранении эксцентриситета ротора относительно внутренней рабочей поверхности корпуса.
Достигается технический результат в первом варианте изобретения тем, что двигатель содержит неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической с направляющей в виде эллипса, ротор с радиальными пазами, установленный в корпусе с возможностью вращения соосно с внутренней рабочей поверхностью корпуса, при этом в роторе выполнено либо четыре радиальных паза, либо большее четное количество пазов, которые расположены равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в радиальных пазах ротора в количестве, равном количеству радиальных пазов, с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также элементы подачи рабочего тела и элементы газообмена, расположенные в стенке корпуса, при этом элементы подачи рабочего тела расположены в вершинах малой оси эллипса, а элементы газообмена расположены со смещением от элементов подачи рабочего тела на угол, не превышающий 45° в направлении, противоположном направлению вращению ротора.
Достигается технический результат во втором варианте изобретения тем, что двигатель содержит неподвижный полый корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической с направляющей в виде фигуры, образованной внешними частями контуров двух наложенных друг на друга эллипсов, центры симметрии которых совпадают, а соответствующие оси расположены под прямым углом друг к другу, и дугообразными линиями, обеспечивающими плавное сопряжение указанных внешних частей контуров двух эллипсов в условных точках пересечений их контуров, ротор с радиальными пазами, установленный в корпусе с возможностью вращения соосно с внутренней рабочей поверхностью корпуса, при этом в роторе выполнено либо восемь радиальных пазов, либо большее четное количество пазов, которые расположены равномерно по окружности ротора, лопасти, установленные в радиальных пазах ротора в количестве, равном количеству радиальных пазов, с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также элементы подачи рабочего тела и элементы газообмена, расположенные в стенке корпуса, при этом элементы подачи рабочего тела расположены со смещением от упомянутых условных точек в направлении вращения ротора на угол, не превышающий 23°, элементы газообмена расположены со смещением от упомянутых условных точек в направлении, противоположном вращению ротора, на угол, не превышающий 25°.
Новые признаки заявленного технического решения по первому варианту изобретения заключаются в выполнении корпуса в виде эллипса (в поперечном сечении), расположении элементов подачи рабочего тела в вершинах малой оси эллипса, а также в расположении элементов газообмена со смещением от элементов подачи рабочего тела на угол, не превышающий 45° в направлении, противоположном вращению ротора.
Новые признаки заявленного технического решения по второму варианту изобретения заключаются в выполнении внутренней рабочей поверхности корпуса в его поперечном сечении в виде фигуры, образованной внешними частями контуров двух наложенных друг на друга эллипсов, центры симметрии которых совпадают, а соответствующие оси расположены под прямым углом друг к другу, и дугообразными линиями, обеспечивающими плавное сопряжение указанных внешних частей контуров двух эллипсов в условных точках пересечений их контуров; кроме того, элементы подачи рабочего тела расположены со смещением от условных точек в направлении вращения ротора на угол, не превышающий 23°, элементы газообмена расположены со смещением от упомянутых условных точек в направлении, противоположном вращению ротора, на угол, не превышающий 25°.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 схематично показан первый вариант роторно-поршневого двигателя, внутренняя рабочая поверхность корпуса которого в поперечном сечении выполнена в виде эллипса; на фиг.2 схематично показан второй вариант роторно-поршневого двигателя, внутренняя рабочая поверхность корпуса которого в поперечном сечении выполнена в виде фигуры, образованной внешними частями контуров двух наложенных друг на друга эллипсов, центры симметрии которых совпадают, а соответствующие оси расположены под прямым углом друг к другу, и дугообразными линиями, обеспечивающими плавное сопряжение указанных внешних частей контуров двух эллипсов в условных точках пересечений их контуров.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Двигатель по первому варианту изобретения (фиг.1) содержит неподвижный полый корпус 1, внутренняя поверхность 2 которого выполнена цилиндрической с направляющей в виде эллипса (т.е в поперечном сечении поверхность 2 имеет форму эллипса, а с торцов корпус закрыт крышами); ротор 3, в котором выполнены четыре радиальных паза 4; четыре лопасти 5, 6, 7 и 8, установленные в упомянутых пазах 4 с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней поверхности 2 корпуса 1; элементы 9 подачи рабочего тела; элементы 10 газообмена.
Ротор 3 установлен в корпусе 1 соосно с его внутренней цилиндрической поверхностью 2 (т.е. центр эллипса поперечного сечения поверхности 2 и центр окружности поперечного сечения ротора 3 совпадают, - это центр «О» на фиг.1). Пазы 4 и, соответственно, лопасти 5-8 расположены равномерно по окружности поперечного сечения ротора 3. Минимальное число лопастей, как показано на фиг.1, четыре. В этом случае угол между любыми двумя смежными лопастями составляет 90°, а угол между противоположными лопастями составляет 180°. Элементы 9 подачи рабочего тела установлены в корпусе 1 в вершинах малой оси 11 эллипса рабочей поверхности 2, а элементы 10 газообмена установлены в корпусе 1 со смещением от элементов 9 подачи рабочего тела на угол, не превышающий 45° в направлении, противоположном вращению ротора 3 (направление вращения показано на фиг.1 дугообразной стрелкой). Количество лопастей может быть больше четырех, но обязательно четным. Лопасти должны располагаться равномерно по окружности поперечного сечения ротора. При этом лопасти установлены в пазах 4 с подпружиниванием в направлении от оси ротора. Данное подпружинивание обеспечивается установкой в пазах 4 соответствующих пружин (не показаны) и/или подачей в пазы 4 газа под давлением (могут использоваться отработанные газы).
Работа роторно-поршневого двигателя по первому варианту изобретения заключается в следующем.
В исходном положении ротора 3 (как показано на фиг.1) его пара противоположно направленных лопастей (на фиг.1 это лопасти 5 и 7) должны располагаться между соответствующими элементами 9 подачи рабочего тела и соответствующими элементами 10 газообмена, так чтобы элементы 9 подачи рабочего тела (этих элементов в рассматриваемом примере два) находились между соответствующими смежными лопастями (т.е. один элемент 9 должен находиться между лопастями 5 и 6, а другой - между лопастями 7 и 8), а элементы 10 газообмена при этом не должны находиться между теми же соответствующими смежными лопастями. При этом пространство между смежными лопастями 5 и 6 образует одну рабочую камеру (назовем ее первой), а пространство между другими смежными лопастями 7 и 8 образует вторую рабочую камеру. Если указанное условие начального расположения лопастей в момент пуска двигателя не выполнено, то стартером (не показан) обеспечивается принудительный поворот ротора 3 для обеспечения упомянутого расположения лопастей. В таком положении ротора 3 посредством элементов 9 осуществляют подачу рабочего тела во внутреннюю полость корпуса 1 с двух сторон этого корпуса в два рабочих пространства (в первую рабочую камеру, т.е. в пространство между смежными лопастями 5 и 6 и во вторую рабочую камеру, т.е. в пространство между смежными лопастями 7 и 8). В качестве рабочего тела может использоваться воспламеняющийся в смеси с воздухом бензин или солярка, либо сжатый до высокого давления воздух или иной газ (или пар). В последнем случае, как показано на фиг.1, в конструкции двигателя предусмотрен газогенератор 12 (или парогенератор), ресивер 13 и дроссель 14, посредством которого ресивер 13 соединен с элементами 9 (форсунками). Вообще говоря, в качестве элементов 9 подачи рабочего тела могут использоваться форсунки топлива и окислителя, подачи сжатого газа, свечи зажигания и др.
Рабочее тело, находящееся под высоким давлением в первой и второй рабочих камерах, оказывает разное давление на смежные лопасти каждой рабочей камеры благодаря эллиптической форме поверхности 2 в ее поперечном сечении и по этой причине разной выдвинутости смежных лопастей. Возникающие в результате этого разности давлений заставляют ротор вращаться по часовой стрелке. При повороте ротора 3 на угол 90° первая по ходу вращения лопасть каждой рабочей камеры (лопасть 6 первой рабочей камеры и лопасть 8 второй рабочей камеры) переходит соответствующую точку расположения соответствующего газообменного элемента 10, вследствие чего газ из каждой рабочей камеры свободно выходит наружу. Далее цикл повторяется. При этом благодаря конструктивной симметрии и симметрии протекающих в двигателе процессов все внутренние силы, возникающие в процессе работы двигателя, попарно уравновешены.
Возможны два режима работы двигателя: режим двигателя внутреннего сгорания и режим двигателя внешнего сгорания. В первом режиме смесь горючего и окислителя при помощи элементов 9 подается в две рабочие камеры (камеры сгорания между лопастями 5-6 и 7-8), где эта смесь сгорает и образовавшиеся в результате этого сгорания газы производят вращение ротора 3. При этом возможно осуществление как цикла Карно, так и цикла Дизеля. Во втором режиме смесь горючего и окислителя подается в газогенератор 12, где эта смесь сгорает, образовавшиеся газы аккумулируются в ресивере 13 и оттуда через регулирующий дроссель 14 газ поступает через элементы 9 в две рабочие камеры (камера между лопастями 5 и 6 и камера между лопастями 7 и 8), где данный газ за счет его расширения производит вращение ротора 3. При этом вместо газа, образуемого сжиганием горючего, может использоваться водяной пар, генерируемый парогенератором 12.
В рассматриваемом двигателе отсутствуют циклы всасывания и циклы сжатия, а цикл выхлопа происходит без применения дополнительных деталей. Кроме того, нет необходимости применять впускные и выпускные клапаны, а также их привод; полностью исключен механизм газораспределения (см. патент RU №55046). Возможно образование двух и более рабочих камер и, вследствие этого, возможна организация двух или большего числа рабочих циклов за один оборот ротора.
Двигатель по второму варианту изобретения (фиг.2) отличается от двигателя по первому варианту прежде всего формой направляющей внутренней цилиндрической поверхности корпуса: эта направляющая представляет собой фигуру, образованную внешними частями 15, 16, 17 и 18 контуров двух наложенных друг на друга эллипсов, центры симметрии которых совпадают (центр «О»), а соответствующие оси расположены под прямым углом друг к другу, и четырьмя дугообразными линиями 19, обеспечивающими плавное сопряжение указанных внешних частей контуров двух эллипсов в условных точках 20 пересечений их контуров (на фиг.2 упомянутые внешние части контуров эллипсов показаны сплошными линиями, а соответствующие внутренние части - штриховыми линиями). Кроме того, ротор 21 имеет как минимум восемь радиальных лопастей 22 (на фиг.2 показано восемь лопастей, однако может быть больше, но обязательно четное число), которые расположены равномерно по окружности ротора (т.е. при восьми лопастях угол между любыми двумя смежными лопастями составляет 45°, а угол между противоположными лопастями составляет 180°). Элементы 23 подачи рабочего тела установлены в корпусе 1 в четырех точках со смещением от упомянутых условных точек 20 в направлении вращения ротора на угол, не превышающий 23°, а элементы 24 газообмена расположены в четырех точках корпуса со смещением от упомянутых условных точек 20 в направлении, противоположном вращению ротора, на угол, не превышающий 25°.
Работа роторно-поршневого двигателя по второму варианту изобретения аналогична работе двигателя по первому варианту изобретения с поправкой на удвоенное количество лопастей, элементов подачи рабочего тела и элементов газообмена.