ШЕСТИТАКТНЫЙ РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SIX-STROKE ROTARY-VANE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, а именно к роторно-лопастному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), который может быть использован на водном, воздушном и сухопутном транспорте.
Известен роторно-поршневой ДВС Ванкеля, содержащий трехгранный ротор (поршень) с дугообразной боковой поверхностью, вращающийся на эксцентриковом валу, корпус (статор), выполняющий роль цилиндра с рабочей поверхностью, выполненной в виде эпитрохоиды. Кинематическая связь ротора со статором осуществляется с помощью зубчатого зацепления. Торцевые и радиальные уплотнения выполнены в виде подпружиненных пластин, расположенных в соответствующих канавках на торцах ротора и на вершинах его треугольника (БСЭ, «Советская энциклопедия», 1971 г., т. 4, с. 289-290) (1). За один оборот ротора осуществляются 3 полных рабочих цикла, эксцентриковый вал выполняет 3 оборота.
Двигатель Ванкеля отличается простотой конструкции и доказал свою эффективность в практическом применении. В частности, он был успешно применен компанией Mazda в двигателе «Renesis» для спортивного автомобиля RX-8. Однако двигатель Ванкеля имеет и ряд существенных недостатков, главные из которых - низкая технологичность изготовления, неремонтопригодность, невысокая надежность торцевого и радиального уплотнений и неполное сгорание топлива, обусловленное неоптимальной формой камеры сгорания.
Известен роторный ДВС по патенту РФ на изобретение №2416032 (опубликован 10.11.2010 г.) (2). Данный двигатель содержит корпус (статор) с эллиптической рабочей поверхностью, цилиндрический ротор, в продольных пазах которого размещены лопатки, перемещаемые в радиальном направлении закрепленными на лопатках роликами, которые перекатываются по профилированным пазам, выполненным в боковых стенках статора. Торцевые и радиальные уплотнения обеспечены разрезными П-образными пластинами, размещенными в пазах лопаток, и подпружиненными кольцами, размещенными в расточках боковых стенок. В каждой рабочей камере двигателя (2) за один полный оборот ротора с валом осуществляется четырехтактный цикл, т.о. число рабочих ходов за один оборот вала определяется числом рабочих камер, которых может быть от шести до двадцати четырех.
Двигатель согласно патенту (2) повторяет основные недостатки двигателя Ванкеля, а именно низкую технологичность изготовления, малую надежность уплотнений, неоптимальность формы камеры сгорания. Кроме того, данный двигатель чрезмерно громоздок по конструкции.
Известен также роторный ДВС, описанный в патенте РФ на изобретение №2386823 (опубликован 20.04.2010 г.) (3). Данный двигатель содержит корпус с впускными и выпускными окнами, имеющий овальную внутреннюю рабочую поверхность, ротор с выдвижными рабочими лопастями, связанный с ним источник сжатого воздуха, топливную форсунку и турбонагнетатель. Рабочие лопасти двигателя образуют четыре отсека в корпусе. ДВС также снабжен электропневматической системой выдвижения и фиксации лопастей в пазах ротора, выполненной из элекропневматического золотника, сообщающего воздуховодами источник сжатого воздуха с подлопастными камерами ротора. На боковых поверхностях пазов ротора выполнены углубления, в которых смонтированы подпружиненные колодки, образующие камеры, в свою очередь сообщающиеся воздуховодами с золотником. Лопасти выполнены в виде пакета подвижных относительно друг друга пластин, а на корпусе двигателя между впускными и выпускными окнами выполнено дополнительное окно со съемной крышкой.
Недостатками описанного в (3) двигателя являются: излишняя сложность конструкции, в частности, из-за сложного золотникового устройства и подпружиненных колодок, более чем неоптимальная форма камеры сгорания и отсутствие торцевого уплотнения между ротором и боковыми стенками.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является двигатель, описанный в патенте РФ на изобретение №2387850 (опубликован 27.04.2010 г.) (4), выбранный в качестве прототипа. Описанный в (4) двигатель содержит неподвижный корпус с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор в виде колеса со спицами, имеющими каналы-направляющие для n пар разнофункциональных лопаток. Между лопатками каждой пары на ободной поверхности ротора выполнены углубления, образующие камеры сгорания, изолированные от лопаток. Канавки с ободом ротора образуют функциональные полости с впускными и выпускными окнами. Профиль канавок в продольном сечении представляет собой n чередующихся, смещенных полнопериодных синусоид с направленными внутрь срезанными вершинами. Вал ротора выполнен из двух раздельных частей, вала и полого вала, соответственно жестко закрепленных на торцах в нижней и верхней частях ротора и не проходящих через его тело. Внутри ротора на его геометрической оси установлен свободно вращающийся вал выдвижного устройства с вращающейся на нем втулкой. Выдвижное устройство представляет собой либо кривошипно-реечно-шестеренчатый, либо четырехшарнирный рычажно-ползунный механизмы и содержит шестеренчато-кулачковую втулку, имеющую полумуфты. Вал и втулка выдвижного устройства имеют рычаги с толкателями для выдвижения лопаток, на шлицах вала выдвижного устройства и втулки расположены двухсторонние зубчатые муфты зацепления, каждая из которых отдельно и поочередно входит в зацепление с полумуфтами шестеренчато-кулачковой втулки и впадинами суппорта на фланце полой части вала ротора в соответствии с режимом работы узла фиксации. Узел фиксации включает в себя кулачковый механизм с приводом, осуществляющим осевое перемещение зубчатых муфт. Наконец, на ободной стенке основной части корпуса двигателя (4), в переходах, разделяющих компрессионную и рабочую полости, расположены элементы калильного зажигания.
Взятый за прототип двигатель (4) характеризуется более высоким КПД и увеличенной удельной мощностью. Вместе с тем, недостатком двигателя (4) является чрезмерная сложность конструкции, в частности механизма выдвижения лопаток и связанные с этим недостаточная надежность, громоздкость и низкая технологичность изготовления двигателя. Кроме того, прототип, как и все рассмотренные двигатели, не предусматривает возможности перевода двигателя в экономичный режим работы, например при достижении крейсерской скорости.
Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции и технологичного в изготовлении ДВС с вращающимися рабочими органами, отличающегося надежностью, имеющего высокие технические характеристики и обеспечивающего возможность перевода двигателя в экономичный режим работы, в частности при достижении крейсерской скорости. Достигаемый в изобретении технический результат заключается в упрощении конструкции ДВС с вращающимися рабочими органами, повышении его надежности и технологичности изготовления, предотвращении выбросов в атмосферу несгоревших фракций топливовоздушной смеси и обеспечении возможности перевода двигателя в экономичный режим работы.
Поставленная задача решается тем, что в роторно-лопастном ДВС, содержащем статор с впускными и выпускными окнами, с отверстиями для свечей зажигания, с рабочими камерами забора и сжатия топливовоздушной смеси, чередующимися с рабочими камерами расширения и удаления продуктов горения; закрепленный на валу цилиндрический ротор с продольными пазами, в которых размещены лопатки, и камерами горения, выполненными на цилиндрической поверхности ротора; боковые стенки, передний и задний подшипниковые щиты, причем боковые стенки всех рабочих камер образованы вращающимися частями ротора, камеры горения выполнены в виде полусферических углублений между продольными пазами ротора, рабочие камеры статора выполнены в виде цилиндрических расточек с осями, параллельными оси статора и разнесенными равномерно по его внутренней поверхности, каждая лопатка статора состоит из отдельных пластин с возможностью свободного взаимного перемещения, причем каждая пластина лопатки выполнена из двух частей, раздвигаемых в осевом направлении пружиной, а количество лопаток кратно количеству камер забора топливовоздушной смеси. Для предотвращения утечки газов за пределы рабочей зоны на торцах статора по всей периферии рабочей поверхности выполнены канавки, в которых расположены ленточные уплотнители, каждый из которых прижат пружинами к внутренней стенке канавки и к боковой стенке двигателя, прилегающей к данному торцу статора. При достижении установившегося режима движения, например при достижении крейсерской скорости, подача топлива в одну (как минимум) из камер забора топливовоздушной смеси может быть прекращена при сохранении подачи в указанную камеру воздуха.
Необходимо отметить, что рабочие поверхности основных деталей ДВС согласно изобретению подлежат изготовлению путем обработки механизмами с элементарными видами движения - вращательным и прямолинейно-поступательным, что обеспечивает высокую технологичность изготовления двигателя.
Таким образом, роторно-лопастной ДВС согласно изобретению реализует шеститактный рабочий цикл, состоящий из тактов: впуска топливовоздушной смеси, сжатия топливовоздушной смеси, горения сжатой топливовоздушной смеси, расширения продуктов горения, выпуска продуктов горения, и выстоя, причем горение во времени и пространстве отделено от сжатия и расширения. Шестой такт работы - выстой - исключает взаимные перетечки топливовоздушной смеси в зону выпуска отработавших газов, а отработавших газов в зону забора топливовоздушной смеси. Число двойных (тройных, четверных и т.д) ходов за один оборот вала равно числу лопастей в пазах ротора. Изобретение также обеспечивает возможность перевода ДВС в экономичный режим работы, при этом число рабочих ходов за один оборот ротора остается неизменным.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид двигателя в поперечном разрезе; на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показано место I на фиг. 1 (некоторые детали не показаны); на фиг. 4 показано место II на фиг. 2; на фиг. 5 показано сечение Б-Б на фиг. 3.
Роторно-лопастной ДВС содержит статор 1 (фиг. 1; 2) с впускными 2 и выпускными 3 окнами (фиг. 1). По внутренней цилиндрической поверхности статора 1 расположены цилиндрические расточки, попарно образующие камеры 4 забора топливовоздушной смеси и камеры 5 расширения продуктов горения (фиг. 1). В канавках на торцах статора 1, огибающих рабочие поверхности статора 1, помещены ленточные, например, торцевые уплотнители 6, пружинами 7 прижимаемые к внутренней стенке канавки и пружинами 8 через промежуточные детали 9 (фиг. 2; 3; 4) к боковым стенкам 10 и 11 (фиг. 2; 4; 5). В резьбовые отверстия статора 1 ввинчены свечи 12 (фиг. 1; 2). Со статором 1 сцентрированы и жестко скреплены передний 13 и задний 14 подшипниковые щиты (фиг. 2). В подшипниковых щитах на радиально-упорных подшипниках установлен вал 15, на котором неподвижно закреплен цилиндрический ротор 16 с боковыми стенками 10 и 11 (фиг. 1; 2). В продольных пазах ротора 16 помещены пластины 17, 18, 19, 20 со вставками 21 (фиг. 3; 5). Число пластин может быть любым, но не менее двух. Вставки 21 и пластины 17, 18, 19, 20 разжимаются пружинами 22 (фиг. 5). На цилиндрической поверхности ротора 16, между продольными пазами, выполнены полусферические углубления 23 (фиг. 1; 2). В расточках, выполненных в статоре 1 вдоль продольных пазов, помещены подпружиненные маслосъемники 24 (фиг. 1; 2). В нижней части щитов 13 и 14 выполнены отверстия 25, 26, а также отверстия 27 и 28 (произвольно) (фиг. 1; 2). Вал 15 имеет отверстие 29 с выходом на периферию (фиг. 2).
Работу ДВС согласно изобретению проследим на примере варианта, изображенного на чертежах (с двумя камерами забора, направление вращения по часовой стрелке, фиг. 1).
1
2
Перед моментом пуска двигателя через отверстия 27 и 28 в щитах 13 и 14 подается воздух под давлением P с периодическим впрыском масла (система «масло-воздух»), который, проходя через радиально-упорные подшипники, смазывает и охлаждает их и попадает в пространства между подшипниковыми щитами и вращающимися деталями ротора 16, откуда через отверстия 25 и 26 в нижней части щитов удаляется на регенерацию. Одновременно через отверстие 29 в валу 15 в пазы ротора 16 под размещенные в пазах пластины 17, 18, 19, 20 (далее совокупность пластин будем называть «лопатками») подается воздух под давлением Р (система «масло-воздух»), который раздвигает лопатки в радиальном направлении, обеспечивая многорядное лабиринтно-щелевое уплотнение в паре «лопатка-статор», и одновременно смазывает их. Каждая из пластин лопатки пружиной 22 через вставку 21 прижимается в шахматном порядке к боковым стенкам 10 и 11, предотвращая межкамерные перетечки топливовоздушной смеси и отработавших газов. Ленточные торцевые уплотнители 6 предотвращают прорыв топливовоздушной смеси и продуктов ее сгорания за пределы рабочей зоны двигателя. При вращении ротора 16 в пространство камер 4 забора топливовоздушной смеси, образующееся за выдвигающейся лопаткой, через впускные отверстия 2 засасывается топливовоздушная смесь, которая при дальнейшем вращении очередной лопаткой сжимается в сужающемся пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями статора 1, ротора 16 и боковыми стенками 10 и 11. На конечной стадии сжатия смесь концентрируется в полусферическом углублении 23 на цилиндрической поверхности ротора 16. В этот момент свечами 12 смесь воспламеняется и сгорает в замкнутом сферическом пространстве, прежде чем передняя по ходу лопатка начнет выдвигаться в открывшееся пространство камеры 5 расширения продуктов горения, осуществляя передачу крутящего момента валу 15. При дальнейшем вращении за передними по ходу лопатками открываются выпускные окна 3 и отработавшие газы удаляются из камер 5. Участок центральной цилиндрической поверхности статора между камерами 5 расширения продуктов горения и выпуска отработавших газов и камерами 4 забора и сжатия топливовоздушной смеси предотвращает попадание отработавших газов в зону забора топливовоздушной смеси. Синхронность горения в симметрично расположенных камерах обеспечивает разгрузку опор вала от радиальных усилий. Синхронное движение лопаток в пазах ротора обеспечивает динамическую уравновешенность двигателя. При достижении установившегося режима движения (крейсерской скорости) в одну из камер забора и сжатия топливовоздушной смеси может быть любым известным способом прекращена подача топлива при сохранении поступления в указанную камеру воздуха. При этом работа двигателя продолжается с пониженной отдаваемой мощностью при сохранении неизменным числа рабочих ходов за один оборот ротора.
Таким образом, изобретение обеспечивает реализацию шеститактного цикла работы роторно-лопастного ДВС, обладающего значительными преимуществами. Так, выполнение боковых стенок всех рабочих камер вращающимися совместно с ротором и лопатками, выполнение уплотнения в парах «лопатка-ротор» и «лопатка-статор» многорядным максимально повышает степень герметичности рабочего пространства двигателя и снижает потери на трение. Периодический впрыск масла в воздушный поток гарантирует надежность смазки трущихся поверхностей и контакта лопаток и статора, смазку опор вала ротора и способствует охлаждению деталей двигателя. Многоточечное горение исключает односторонний нагрев деталей двигателя, а синхронность движения лопаток в радиальном направлении способствует плавной безвибрационной работе двигателя. Частота рабочих ходов двигателя (в рассмотренном примере сдвоенный рабочий ход происходит через каждые 36° поворота вала) обеспечивает плавность крутящего момента. Сжигание топлива в постоянном объеме в камере сферической формы способствует наиболее полному использованию химической энергии топлива. Обусловленная изобретением возможность прекращения подачи топлива в часть камер забора топливовоздушной смеси при сохранении подачи воздуха обеспечивает наиболее экономичный режим эксплуатации двигателя. Выполнение рабочих поверхностей плоскими и цилиндрическими обеспечивает высокую степень технологичности изготовления двигателя.