Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания
ROTARY-BLADE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может найти применение в автомобильной, строительной, сельскохозяйственной, военной технике и других областях, где требуется высокая литровая и удельная мощность, а также топливная экономичность.
Известен роторный двухкамерный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ на изобретение №2539412, опубл. 20.01.2015, бюл. №2), который содержит ротор, разделительные колеса и шестерни сопряжения, расположенные в неподвижном статоре-картере с впускными, выпускными отверстиями и камерой сгорания. Ротор состоит из двух рабочих колес цилиндрической формы на одном валу. Камера сгорания расположена между этими колесами и за счет формы рабочих колес камера сгорания периодически перекрывается для работы двигателя. Рабочие колеса представляют из себя два сегмента цилиндра разного диаметра, оси которых совмещены с осью вала ротора. Разделительные колеса имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра с общей осью, поверхность большего из которых катится по поверхности меньшего сегмента цилиндра рабочего колеса ротора. Диаметр большего сегмента цилиндра разделительных колес равен диаметру меньшего сегмента цилиндра рабочих колес.
Недостатками известного двигателя являются: его низкая мощность, большие габариты, высокий удельный расход топлива, низкий термический КПД рабочего цикла, сложность конструкции двигателя.
Известен однотактный роторно-компрессорный двигатель внутреннего сгорания, принятого за прототип (патент РФ на изобретения №2470167, опубл. 20.12.2012, бюл. №35), который содержит компрессор, зубчатый двухроторный двигатель, систему газораспределения, синхронизирующий блок (систему синхронизации), систему питания, охлаждения, смазки и управления, в котором впуск, сжатие воздуха и выпуск отработанных газов осуществляется одновременно с рабочим ходом. На каждом роторе зубчатого двухроторного двигателя внутреннего сгорания установлено по одному рабочему зубу, а перед входом в камеру сгорания, образованную между линией касания цилиндрических стенок роторов стенками корпуса, рабочими поверхностями двух зубьев и внешней цилиндрической стенкой газораспределительного барабана, расположен газораспределительный барабан в виде пустотелого цилиндра с закрепленной внутри крыльчаткой, которые вращаются в воздушной подушке. При этом сжатый воздух, поступающий из ресивера винтового компрессора, используемого в двигателе в качестве внешнего источника сжатого воздуха, подается в газораспределительный барабан через отверстие в торцевой стенке, откуда через перепускной канал, расположенный вдоль цилиндрической стенки газораспределительного барабана, поступает в камеру сгорания.
Недостатки прототипа: низкая мощность двигателя, большие габариты, высокий удельный расход топлива, низкий термический КПД рабочего цикла, сложность конструкции двигателя.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: зубчатый двухроторный двигатель, на каждом роторе которого выполнено по одному рабочему зубу, системы синхронизации и газораспределения.
Изобретение направлено на создание роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания, зарекомендованного высокой надежностью и простотой в обслуживании.
Это достигается тем, что роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит зубчатый двухроторный двигатель, на каждом роторе которого выполнено по одному рабочему зубу, системы синхронизации и газораспределения. Предложенное решение состоит из трех последовательно соединенных секций, при этом первая секция включает зубчатый двухроторный двигатель с возможностью выполнения функции компрессора, вторая секция включает систему синхронизации, которая состоит из ведущих шестерен, закрепленных на валах каждого ротора, и двух ведомых шестерен, причем передаточное число ведущей шестерни к ведомым составляет 1:2, а передаточное число системы синхронизации, в целом, 1:1, также вторая секция включает систему газораспределения, у которой впускное, выпускное и перепускные отверстия устроены с возможностью открываться и перекрываться самим телом ведомых шестерен, на которых выполнены прорези и вырезы в форме дуг, а третья секция включает камеру сгорания и ресивер горючей смеси.
Впускные, выпускные и перепускные отверстия открываются и перекрываются самим телом ведомых шестерен, обеспечивая функции газораспределительного механизма. Процесс сгорания отделен из такта рабочего хода в самостоятельный процесс (такт) в камере сгорания с увеличением времени (или фазы) сгорания смеси в изохорном процессе. Продувочное устройство выполнено управляемым так, что открывается в патрубок продувки связанный с атмосферой, что обеспечивает продувку камеры сгорания от отработанных газов, а закрывается перед открытием клапана камеры сгорания за время достаточное для заполнения камеры сгорания сжатой горючей смесью из ресивера.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен двигатель, состоящий из трех секций, фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1, фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1 (третья секция), фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 1 (третья секция), фиг. 6 - схематическое изображение работы двигателя: а) начало рабочего хода и начало сжатия, б) конец рабочего хода, конец сжатия и заполнения ресивера, в) начало впуска горючей смеси, начало выпуска отработанных газов, а также начало перепуска горючей смеси из ресивера в камеру сгорания и продувки камеры сгорания, г) конец впуска горючей смеси, конец выпуска отработанных газов, конец продувки и перепуска.
Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания состоит из трех последовательно соединенных секций 1, 2 и 3. Первая секция 1 включает зубчатый двухроторный двигатель с возможностью выполнения функции компрессора. Вторая секция 2 включает системы синхронизации и газораспределения. Третья секция 3 содержит ресивер 4 горючей смеси и камеру сгорания 5. Секции 1, 2 и 3 закреплены между собой, например болтами 6.
Первая секция 1 содержит корпус 7 с крышкой 8. В корпусе размещены два ротора 9, которые жестко закреплены на выходных валах 10. На каждом из двух роторов 9 выполнено по одному рабочему зубу 11. Роторы 9 образуют между линией касания цилиндрических стенок роторов 9, стенками корпуса 7, рабочими поверхностями двух зубьев 11 и внешней цилиндрической стенкой корпуса 7 герметично замкнутые объемы, образуя камеры 12 впуска горючей смеси, камеры 13 сжатия горючей смеси, камеры 14 рабочего хода и камеры 15 выпуска отработанных газов. В первой секции 1 выполнены отверстия 16 клапана 17 для впуска горючей смеси, отверстие 18 клапана 19 перепуска сжатой горючей смеси в ресивер 4, отверстие 20 клапана 21 камеры сгорания 5 для подачи сгоревших газов под высоким давлением из камеры сгорания 5 в камеру 14 рабочего хода и отверстие 22 клапана 23 выпуска отработанных газов в атмосферу.
Вторая секция 2 содержит корпус 24, в котором на выходных валах 10 закреплены ведущие шестерни 25 синхронизации. На валах 26, установленных в корпусе 7, и проходящих сквозь секцию 3, закреплены две ведомые промежуточные шестерни системы синхронизации: верхняя 27 и нижняя 28. На верхней 27 и нижней 28 промежуточных шестернях, выполняющих функции системы газораспределения, выполнены прорези и вырезы в форме дуг, радиусы которых совпадают с радиусами, измеренными от оси вала 26 до отверстий 16, 18, 20, 22 клапанов 17, 19, 21, 23 системы газораспределения. Угловые длины дуг прорезей и вырезов определяются исходя из продолжительности времени открытия и закрытия клапанов системы газораспределения. Верхняя промежуточная шестерня 27 имеет прорезь 29 для управления клапаном 23 выпуска отработанных газов в атмосферу, прорезь 30 для управления клапаном 19 перепуска сжатой горючей смеси в ресивер 4, вырез 31 для управления клапаном 32 перепуска горючей смеси из ресивера 4 в камеру сгорания 5. Нижняя промежуточная шестерня 28 имеет прорезь 33 для управления клапаном 17 впуска горючей смеси, прорезь 34 для перепуска сгоревших газов под высоким давлением из камеры сгорания 5 в камеру 14 рабочего хода, вырез 35 для управления клапаном 36 продувки сгоревших газов из камеры сгорания 5 через патрубок продувки 37 в атмосферу.
Система синхронизации второй секции состоит из ведущих шестерен 25, закрепленных на валах 10 каждого ротора 9, и двух ведомых шестерен 27 и 28. Причем передаточное число ведущей шестерни 25 к ведомым 27 и 28 составляет 1:2. Передаточное число системы синхронизации, в целом, 1:1. Система газораспределения второй секции включает впускное 16, выпускное 22 и перепускные отверстия 18 и 20, которые устроены с возможностью открываться и перекрываться самим телом ведомых шестерен 27 и 28, на которых выполнены прорези и вырезы в форме дуг
Через секцию 3 проходит впускной 38 и выпускной 39 коллекторы. Третья секция 3 содержит корпус 40, в котором выполнены ресивер 4 и камера сгорания 5. На ресивере 4 выполнено отверстие 41 клапана 19 для приема сжатой горючей смеси из камеры 13 сжатия горючей смеси, а так же выходное отверстие 42 клапана 32 перепуска между ресивером 4 и камерой сгорания 5 через канал 43 перепуска, выполненного в корпусе 40 третьей секции 3. На камере сгорания 5 установлена свеча зажигания 44, а также выполнено отверстие 45 клапана 21 для подачи сгоревших газов под высоким давлением из камеры сгорания 5 в камеру 14 рабочего хода и отверстие 46 клапана 36 продувки сгоревших газов из камеры сгорания 5 через канал 47 и патрубок продувки 37 в атмосферу.
Клапан 17 впуска горючей смеси состоит из впускного коллектора 38, прорези 33 в шестерне 28 и отверстия 16 в камере впуска 12.
Клапан 19 перепуска сжатой горючей смеси в ресивер 4 состоит из отверстия 18 в камере сжатия 13, прорезь 30 в шестерне 27 и отверстие 41 на ресивере 4.
Клапан 21 камеры сгорания 5 для подачи сгоревших газов под высоким давлением из камеры сгорания 5 в камеру 14 рабочего хода состоит из отверстия 45 на камере сгорания 5, прорези 34 на шестерне 28 и отверстие 20 в камере рабочего хода 14.
Клапан 23 выпуска отработанных газов в атмосферу состоит из отверстия 22 в камере выпуска отработанных газов 15, прорезь 29 на шестерне 27 и выпускной коллектор 39.
Клапан 32 перепуска горючей смеси из ресивера 4 в камеру сгорания 5 состоит из выходного отверстия 42 ресивера 4, выреза 31 на шестерне 27 и канала перепуска 43.
Клапан 36 продувки сгоревших газов из камеры сгорания 5 через патрубок продувки 37 в атмосферу состоит из выреза 35 на шестерне 28, отверстия 46, канала 47 и патрубка продувки 37.
На корпусе 40 закреплен контакт зажигания 48, а на валу 26 закреплен выступ зажигания 49.
Порядок работы двигателя, состоящего из последовательно соединенных между собой болтами 6 секций 1, 2 и 3:
а) Исходное положение (фиг. 6а)
- клапаны 17, 19, 21, 23, 32, 36 закрыты,
- камера сгорания 5 заполнена горючей смесью под давлением,
- выступ зажигания 49 замкнул контакт зажигания 48,
- на свечу зажигания 44 подано напряжение,
- в камере сгорания 5 сгорает горючая смесь,
- зубья 11 роторов 9 находятся в камере рабочего хода 14,
- камера сжатия 13 заполнена горючей смесью.
б) начало рабочего хода и сжатия (фиг. 6а) и конец рабочего хода и сжатия (фиг. 6б). Поворот роторов 9 между корпусом 7 секции 1 и крышкой 8 вместе с выходным валом 10 на 270° совершает полезную работу. Шестерни 27 и 28, закрепленные на валу 26, через шестерни синхронизации 25 поворачиваются в корпусе 24 секции 2 на 135°,
- прорезь 34 шестерни 28 открывает клапан 21. Газы под давлением из камеры сгорания 5 через прорезь 34 шестерни 28 и отверстие 20 поступают в камеру рабочего хода 14. Начинается такт рабочего хода в камере рабочего хода 14 и такт сжатия в камере сжатия 13,
- немного не доходя до окончания такта сжатия, прорезью 30 шестерни 27 открывается клапан 19 перепуска сжатой горючей смеси из камеры сжатия 13 через отверстие 18 и прорезь 30 в шестерне 27 и отверстие 41 в ресивер 4. Идет заполнение ресивера 4 сжатой горючей смесью, а при достижении окончании такта сжатия клапан 19 закрывается с помощью прорези 30,
- после поворота диска 28 на 135 клапан 21 закрывается с помощью прорези 34 шестерни 28. Такт рабочего хода завершен,
- зубья 11 роторов 9 в камере сжатия 13.
в) См. фиг. 6б - конец рабочего хода и сжатия, фиг. 6в - начало впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов. Поворот роторов 9 на 90° с 270° до 360°, а шестерен 27 и 28 на 45° с 135° до 180°, при этом зубья 11 в месте соприкосновения роторов 9 переходят из камеры сжатия 13 в камеру впуска 12. Все клапаны 17, 19, 21, 23, 32, 36 закрыты.
г) См. фиг. 6в - начало впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов, фиг. 6г - конец впуска горючей смеси и конец выпуска отработанных газов. Поворот роторов 9 на 270° с 360° до 630°, а шестерни 27 и 28 на 135° с 180° до 315°. Идут такты впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов
- зубья 11 роторов 9 в камере впуска 12
- прорезь 33 шестерни 28 открывает клапан впуска 17. Горючая смесь через впускной коллектор 38, прорезь 33 на шестерне 28 и отверстие 16 поступает в камеру впуска 12,
- прорезь 29 шестерни 27 открывает клапан выпуска 23. Отработанные газы из камеры выпуска 15 через отверстие 22, прорезь 29 на шестерне 27 поступает в выпускной коллектор 39,
- вырез 31 шестерни 27 открывает клапан 32 перепуска горючей смеси из ресивера 4 в камеру сгорания 5. Горючая смесь из ресивера 4 через вырез 31 шестерни 27 и отверстие 42 поступает через канал перепуска 43 в корпусе 40 секции 3 в камеру сгорания 5,
- вырез 35 шестерни 28 открывает на короткое время клапан 36 продувки камеры сгорания 5 от сгоревших газов через отверстие 46, канал 47 в корпусе 40 секции 3 и патрубок продувки 37,
- вырез 31 шестерни 27 закрывает клапан 32 перепуска после заполнения камеры сгорания 5 горючей смесью,
- зубья 11 роторов 9 в камере выпуска 15,
- прорезь 33 шестерни 28 закрывает клапан впуска 17,
- прорезь 29 шестерни 27 закрывает клапан выпуска 23.
д) См. фиг. 6г - конец впуска горючих газов и конец выпуска отработанных газов, фиг. 6а - начало рабочего хода и сжатия. Поворот роторов 9 на 90° с 630° до 720°, а шестерен 27 и 28 на 45° с 315° до 360°, при этом зубья 11 в месте соприкосновения роторов 9 переходят из камеры выпуска 15 в камеру рабочего хода 14.
- клапаны 17, 19, 21, 23, 32, 36 закрыты,
- камера сгорания 5 заполнена горючей смесью под давлением,
- выступ зажигания 49 замкнул контакт зажигания 48,
- на свечу зажигания 44 подано напряжение,
- в камере сгорания 5 сгорает горючая смесь,
- зубья 11 роторов 9 находятся в камере рабочего хода 14,
- камера сжатия 13 заполнена горючей смесь.
Двигатель в исходном положении.
Угловые величины указаны ориентировочно.
Таким образом, изобретение обеспечивает упрощение технологии изготовления двигателя за счет сборки его из трех отдельных секций 1, 2 и 3; уменьшение вибрации двигателя за счет того, что такт рабочего хода и такт сжатия происходит в смежных камерах 14 и 13 одновременно; исключение сбоев в работе систем синхронизации и газораспределения за счет того, что система синхронизации состоит из ведущих шестерен 25, закрепленных на выходных валах 10 каждого ротора 9, и двух ведомых шестерен 27 и 28, выполняющих функции системы газораспределения; повышение надежности работы системы газораспределения за счет того, что клапаны 17, 19, 21, 23, 32, 36 открываются и перекрываются самим телом ведомых шестерен 27 и 28; снижение удельного расхода топлива за счет того, что процесс сгорания отделен из такта рабочего хода в самостоятельный процесс (такт) в камере сгорания 5 с увеличением времени (или фазы) сгорания смеси в изохорном процессе; увеличение мощности двигателя и снижение температуры стенок камеры сгорания 5 за счет охлаждающего действия продувочной смеси путем дозарядки камеры сгорания 5 горючей смесью во время продувки. Компенсация неуравновешенных центробежных сил, возникающих от наличия на роторах 9 зубьев 11, достигается известным способом их уравновешивания.