РОТОРНЫЙ ДВУХКАМЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY TWO-CHAMBER INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силового агрегата, работающего от энергии внутреннего сгорания топливно-воздушной смеси, в любых машинах и механизмах.
Известны различные конструкции роторных двигателей внутреннего сгорания, но все известные на сегодняшний день конструкции имеют существенные конструктивно-эксплуатационные недостатки, основные из которых - это значительные потери в кривошипно-шатунном механизме, недолговечность роторных двигателей и низкий КПД почти всех конструкций ДВС в результате механических потерь.
Технической задачей изобретения является устранение принципиальных конструктивных недостатков известных двигателей внутреннего сгорания, поршневых, роторных и многочисленных их вариантов и модификаций, а именно прежде всего недостатков кривошипно-шатунного механизма, в котором тепловая энергия сгорания топлива сначала преобразуется в прямолинейное движение поршня, а уже затем со значительными механическими потерями во вращательное движение коленчатого вала. В предлагаемом устройстве двухкамерного роторного ДВС энергия сгорания топлива сразу преобразуется во вращательную энергию вала ротора, то есть расширяясь, рабочие газы сразу давят на плечо ротора, приводя во вращения вал отбора мощности, благодаря чему достигается значительное снижение механических потерь, повышение надежности, устранение шума и вибрации, повышая КПД. В конструкции двухкамерного роторного ДВС применяются простые и надежные детали с цилиндрическими и плоскими поверхностями, которые просты, имеют низкую себестоимость в изготовлении и долгий срок службы.
Еще одной особенностью двухкамерного роторного ДВС является то, что все его детали имеют линейные скорости вращения и как следствие механические потери в этом случае сведены к минимуму. То есть конструкция двухкамерного роторного ДВС такова, что если вал ротора вращается с постоянной скорость (т.е двигатель держит стабильные обороты), то и все его остальные детали движутся без ускорений с постоянной скоростью абсолютно линейно. С точки зрения механики - это механизм, близкий к идеальному. До этого ни один из ДВС известных конструкций не имел таких механических параметров. Во всех известных ранее конструкциях ДВС какие-либо детали из механизма двигателя при постоянной скорости основного вала двигались с ускорениями и нелинейными скоростями.
При работе данного двигателя в его рабочей полости происходят те же химические процессы, что и в рабочей полости цилиндра четырехтактного ДВС, так же присутствует процесс впуска, происходящий при разряжении относительно атмосферного давления, процесс сжатия рабочей смеси, вызывающий ее разогрев, процесс воспламенения от электрической искры и расширение с совершением работы и процесс выпуска отработанных газов путем их выталкивания из рабочей полости в выхлопную систему. Изобретение позволяет с помощью применения новой кинематической схемы и конструкции получить более высокое соотношение мощности и крутящего момента к общей массе агрегата, а также получить более высокий КПД.
Изобретение имеет следующие основные отличительные особенности.
Роторный двухкамерный двигатель внутреннего сгорания содержит ротор с двумя рабочими колесами, разделительные колеса, шестерни сопряжения, расположенные в неподвижном статоре-картере с впускными, выпускными отверстиями и камерой сгорания между рабочими колесами, отличается тем, что ротор состоит из двух рабочих колес цилиндрической формы на одном валу, а камера сгорания расположена между этими колесами и за счет формы рабочих колес, представляющих собой два сегмента цилиндра разного диаметра, оси которых совмещены с осью вала ротора, камера сгорания периодически перекрывается для работы двигателя.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что рабочие колеса ротора имеют форму из двух сегментов цилиндров разного диаметра, поверхности большего из которых скользят по статору, а поверхности меньших сегментов цилиндра катятся по разделительным колесам.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что впускные, выпускные и перепускные отверстия камеры сгорания открываются и перекрываются самим телом ротора, а именно рабочими сегментами его частей с большим диаметром, и этим в двигателе обеспечиваются функции газораспределительного механизма.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что термодинамические процессы в нем происходят следующим образом: в первой камере двигателя происходит процесс впуска рабочей смеси и ее сжатие, а во второй камере происходит сгорание сжатой смеси с совершением положительной работы и выпуск отработанных газов.
Роторный двухкамерный двигатель отличается тем, что разделительные колеса и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью и 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 и данное качение происходит за счет того, что диаметр большего сегмента цилиндра разделительных колес равен диаметру меньшего сегмента цилиндра рабочих колес.
На фиг.1-4 изображен двухкамерный роторный двигатель в двух поперечных разрезах А-А и В-В, а также одном продольном разрезе Б-Б.
На фиг.5 отдельно показана конструкция ротора двигателя, состоящего из вала и двух рабочих колес с шестернями привода разделительных колес.
На фиг.6 и фиг.7 показано трехмерное изображение конструкции ротора.
На фиг.8 показана конструкция разделительного колеса ротора.
На фиг.9-14 изображены процессы, поясняющие принцип работы двухкамерного роторного ДВС, фиг.9 - выпуск, фиг.10 - впуск и сжатие, фиг.11 - выпуск и рабочий ход, фиг.12 - окончание впуска, фиг.13 - рабочий ход, фиг.14 - транспортировка горючей смеси в хону схатия.
На фиг.15-18 конструкция и процесс работы двухкамерного роторного ДВС показана более детально.
На фиг.19 детально показан продольный, горизонтальный разрез двухкамерного роторного ДВС.
На фиг.20 показан продольный, горизонтальный разрез двухкамерного роторного ДВС, имеющего четыре камеры сгорания (аналог рядной четверки).
На фиг.1 и фиг.2 изображена общая схема двигателя. Двигатель содержит корпус-картер (статор) 1 с двумя цилиндрическими полостями для рабочих колес (роторов) 2, соединенных между собой полостью камеры сгорания 3, а также полости разделительных колес 4. Внутренние стенки статора 1 выполнены из высоколегированной, жаропрочной стали, обработаны и отполированы с высокой точностью для более эффективного сопряжения с вращающимися рабочими 2 и разделительными 4 колесами. Рабочие колеса 2 стоят на основном рабочем валу 5, образуя ротор двухкамерного роторного ДВС, разделительные колеса 4 установлены каждое на отдельном валу разделительного колеса 6, которые приводятся во вращение с помощью шестерен привода разделительных колес 7, от рабочего вала 5. В камеру сгорания вворачивается свеча зажигания 8, вся конструкция двигателя крепится на крепежное основание 9 корпуса двигателя 1. Рабочие полости цилиндров закрываются крышками цилиндров 10, замыкая объем цилиндров с торцов. На валах 5 и 6 при помощи шпонок 11 устанавливаются пары шестерен 7 с передаточным отношением один к одному, благодаря чему угловые скорости вращения валов 5 и 6 одинаковы. Полости шестерен 7 привода разделительных колес 4 закрыты крышками 12. Крышки цилиндров 10 и крышки 12 крепятся к статору 1 крепежными ботами или шпильками 13. Рабочий вал 5 и валы разделительных колес 6 вращаются в подшипниках качения 14, смазка к которым подводится через масляные каналы 15. Охлаждение двигателя осуществляется с помощью охлаждающей жидкости, циркулирующей по каналам 16. Двухкамерный роторный ДВС имеет два рабочих колеса 2 ротора, одно из которых выполняет функцию компрессора, а второе - функцию двигательного колеса. Горючая смесь подается к компрессорному колесу ротора через впускное отверстие коллектора с фланцем 17. Отработанные газы удаляются из цилиндра рабочего колеса через выпускной коллектор с фланцем 18. Таким образом на фиг.1 изображено сечение А-А по цилиндру компрессора и сечение Б-Б по ломаной плоскости, представляющее общее продольное сечение двухкамерного роторного двигателя.
На фиг.3 и фиг.4 изображена общая схема с поперечным сечением В-В по рабочему цилиндру двухкамерного роторного двигателя, а также продольное сечение Б-Б, как и на фиг.2. Рабочее колесо 2 вращается в теле статора 1 в полости, представляющей собой цилиндр правильной формы. Стрелками показано направление вращения рабочего и разделительного колес. Рабочее колесо 2 своей наружной цилиндрической поверхностью скользит по внутренней цилиндрической поверхности статора 1 с непосредственным контактом скольжения по всей наружной поверхности, образуя между статором 1, ротором 2 и разделительным колесом 4 рабочие объемы двухкамерного роторного двигателя. Разделительное колесо 4 своей наружной цилиндрической поверхностью 19 катится по внутренней цилиндрической поверхности 20 ротора 2 с непосредственным контактом, осекая таким образом рабочие объемы. Цилиндрические поверхности 19 и 20 имеют одинаковый радиус и так как угловая скорость рабочих и разделительных колес одинакова, за счет того что их валы соединены шестернями 7 одинакового радиуса, разделительное колесо 4 катится своей поверхностью 19 по рабочему колесу 2 без проскальзывания.
На фиг.5-7 отдельно изображен ротор в продольном сечении и в 3D проекции для лучшего понимания геометрических особенностей конструкции. Ротор двухкамерного роторного ДВС представляет собой вал 5 с насаженными на него двумя рабочими колесами, компрессорным колесом 2.1 и рабочим колесом 2.2. На концы рабочего вала 5 в свою очередь устанавливаются шестерни 7, через которые осуществляется привод разделительных колес двухкамерного роторного ДВС. На вал рабочие колеса 2.1, 2.2 и шестерни 7 насажены с использованием шпонок 11. Каждое рабочее колесо 2.1 и 2.2 представляет собой тело с двумя цилиндрическими поверхностями разного радиуса, наружной 20.1 большего радиуса и внутренней 20.2 меньшего радиуса. Наружная цилиндрическая поверхность 20.1 предназначена для прямого фрикционного взаимодействия (скольжения) по внутренней поверхности статора двигателя, внутренняя цилиндрическая поверхность 20.2 предназначена для качения по наружной поверхности 19 разделительного колеса. С торцов рабочие колеса-роторы 2 имеют плоские параллельные поверхности, которые скользят по телу статора и крышкам цилиндров. На соединении наружной 20.1 и внутренней 20.2 цилиндрических поверхностей рабочих колес 2 ротора образуется плоская поверхность 21, взаимодействующая непосредственно с горючей смесью и рабочими газами. Поверхности 21 рабочих колес ротора являются плоскостями приложения основных рабочих нагрузок двигателя. Рабочие колеса 2 установлены на вал 5 таким образом, что уравновешивают друг друга при вращении. То есть колесо 2.1 и колесо 2.2 имеют одинаковый размер, форму и вес и сдвинуты на рабочем валу 5 относительно друг друга на 180 градусов. Однако очевидно, что при изготовлении таких колес, по сути состоящих из двух сегментов цилиндров 22 и 23, одинаковой высоты и разного радиуса, необходимо изготавливать отливку таким образом, чтобы центр тяжести колеса совпадал с осью его вала. На фиг.8 показано, что достигается это, например, наличием внутренних пустот или полостей 24 у полуцилиндра 22 большего радиуса при отливке. Или можно применять материал различного веса при изготовлении таких колес, чтобы сегмент цилиндра 23, колеса меньшего радиуса, весил столько же, как и сегмент цилиндра 22, колеса большего радиуса. На фиг.8 показана конструкция рабочих колес двигателя. Рабочее колесо представляет собой форму, которую условно можно разделить на два сегмента цилиндра большего и меньшего радиуса, оси которых совпадают и являются осью рабочего колеса, в центре которого имеется отверстие для вала ротора со шпонкой. Причем сегмент цилиндра большего радиуса имеет угол сегмента менее 180 градусов, для того чтобы обеспечить совместное беспрепятственное вращение с разделительным колесом, имеющим такую же форму, но меньший масштаб.
На фиг.9-14 изображены основные рабочие процессы двухкамерного роторного двигателя внутреннего сгорания. На фиг.9 и фиг.10 (цикл впуска, сжатия и выпуска отработанных газов) одномоментно показаны два поперечных сечения двигателя: сечение по рабочему цилиндру (вверху) и сечение по цилиндру компрессора (внизу). Данные сечения двигателя идентичны сечениям А-А и В-В на фиг.1 и фиг.3. То же касается и фиг.11-14. По времени фиг.9-10, фиг.11-12, фиг.13-14 отстоят друг от друга на период поворота вала двигателя примерно 120 градусов. Таким образом полный цикл работы двухкамерного роторного ДВС совершается за один оборот вала или 360°.
Двигатель работает следующим образом: на фиг.9 рабочее колесо ротора, вращаясь, осуществляет вытеснение 25 (выброс) отработанных газов из рабочего цилиндра в выпускной коллектор. При этом рабочее колесо ротора своим телом перекрывает 26 камеру сгорания со стороны компрессорного колеса. В этот самый момент компрессорное колесо ротора на фиг.10 осуществляет наполнение 27 двигателя горючей смесью из впускного коллектора, а противоположной своей частью компрессорное колесо ротора осуществляет сжатие 28 предварительно наполненной горючей смеси в камеру сгорания, которая с обратной стороны заперта рабочим колесом. Таким образом, на фиг.9-10 показаны одновременно происходящие процессы впуска, сжатия и выброса отработанных газов.
На фиг.11-12 (цикл впуска, начала рабочего хода и выпуска отработанных газов) валы двигателя провернулись примерно на 120 градусов от положений, показанных на фиг.9-10. На фиг.11 показано, как рабочее колесо ротора завершает процесс выпуска 25 отработанных газов в выпускной коллектор, а другая часть рабочего колеса, открыв камеру сгорания, совершает рабочий ход 29 со сгоранием предварительно сжатой и воспламененной горючей смеси. С обратной стороны в этот момент камера сгорания заперта телом компрессорного колеса ротора, поэтому в данный момент рабочие газы, сгорая, 29 вращают весь двигатель, в целом воздействуя при расширении на плече рабочего колеса. Компрессорное колесо ротора в момент, изображенный на фиг.12, заканчивает процесс впуска 27 свежей горючей смеси из впускного коллектора, при этом компрессорное колесо своим телом перекрывает 26 камеру сгорания, в которой происходит рабочий ход со стороны рабочего колеса ротора. Воспламенение горючей смеси в двухкамерном роторном ДВС происходит от свечи, установленной в камере сгорания статора, в момент когда компрессорное колесо завершает сжатие и перекрывает 26 полностью камеру сгорания своим телом, не допуская обратного давления газов при их воспламенении. Данный момент не показан на чертежах ввиду своей очевидной тривиальности.
На фиг.13-14 (завершение впуска, выпуска с продолжением рабочего хода) валы двигателя провернулись еще на 120 градусов и на фиг.13 рабочее колесо, завершив выпуск, своим телом заперло 30 выпускной коллектор, а рабочий ход со сгоранием горючей смеси 29 завершается. На фиг.14 показано, как компрессорное колесо, завершив процесс впуска, своим телом заперло 30 впускной коллектор и осуществляет перемещение 31 рабочей смеси по цилиндру для последующего сжатия. При этом компрессорное колесо своим телом продолжает запирать 26 камеру сгорания, в которой со стороны рабочего колеса завершается рабочий ход. На данной фиг.14 видно, что разделительное колесо повернулось в положение, при котором оно перестает взаимодействовать (катиться) по колесу ротора, и между разделительным колесом и компрессорным колесом ротора образовался рабочий зазор 32. Таким образом, двигатель является четырехтактным ДВС и работает за счет тех же химических процессов окисления топлива, что и классический поршневой ДВС. Особенностью и явным преимуществом данной конструкции по сравнению с другими ДВС является отсутствие какого бы то ни было газораспределительного механизма. Вся система газораспределения состоит из впускного отверстия и отверстия для выпуска отработанных газов в теле статора. Автор исходит из того, что для работы двигателя необходима такая же горючая смесь, как и для поршневых ДВС, поэтому система подготовки горючей смеси в данном описании не рассматривается.
На фиг.15-18 более детально отображены конструктивные особенности двухкамерного роторного ДВС. На фиг.15 и фиг.16 изображены два разреза В-В по рабочим колесам с разницей в положении валов 180 градусов и происходящие при этом процессы. Свеча зажигания 8 для большей наглядности тоже показана, но она не находится в плоскости данных сечений и располагается впереди рисунков в камере сгорания. На фиг.15 виден процесс рабочего хода 29 и вытеснения отработанных газов 25, показано пятно контакта 33 качения рабочего и разделительного колес. Для уменьшения потерь разделительное колесо скользит по статору не по всей дуге цилиндра, а по ограниченным запирающим цилиндр областям 34. На фиг.16 валы провернулись на 180 градусов и сгоревшая рабочая смесь перемещается 31 к выпускному коллектору 18. Между рабочим и разделительным колесом образовался зазор 32 и в таком положении рабочее и разделительное колесо, вращаясь с одинаковой угловой скоростью, между собой не взаимодействуют. На фиг.17-18 показаны идентичные детали и процессы, как и на фиг.15-16, но в разрезе для компрессорного колеса двухкамерного роторного ДВС. Фиг.17 и фиг.18 сечения А-А имеют разницу в положении вращающихся деталей 180 градусов. Корпус статора с полостью для разделительного колеса рабочей части ротора показан на заднем плане и оттенен для большей наглядности рисунка. В верхнем сечении А-А показан процесс впуска и сжатия рабочей смеси, в момент когда камера сгорания перекрыта рабочим колесом, в нижнем сечении А-А уже компрессорное колесо со своей стороны перекрывает камеру сгорания и перемещает по цилиндру рабочую смесь для последующего сжатия. На фиг.15-18 показано, как рабочие колеса 2 скользят 35 с непосредственным контактом всей плоскости наружной цилиндрической поверхности по телу статора 1, а также путем непосредственного прилегания рабочих колес 2 и внутренней поверхности статора 1 выполняется запирание 26 впускного 17, выпускного 18 коллекторов. На фиг.18 показано, что разделительные колеса 4 в полостях замкнутого объема статора 1 не касаются тела статора и между колесами 4 и статором 1 образуется зазор 36. Выполнено это для уменьшения потерь на трение и осуществления перетекания газов по замкнутому внутреннему объему полости разделительных колес 4 при их вращении. На фиг.15 и фиг.17 показаны одинаковые радиусы 37 сегментов цилиндров колес 2 и 4, что при одинаковой угловой скорости их вращения обеспечивает возможность качения без проскальзывания в точке контакта 33.
На фиг.19 (простейший двухкамерный роторный ДВС) в деталях показана конструкция двухкамерного роторного ДВС, имеющего одну камеру сгорания, одну свечу зажигания, и один комплект движущихся деталей - колес, валов, шестерен. Таким образом, данная конструкция двухкамерного роторного ДВС является простейшей и идентична по функциональности одноцилиндровому классическому двигателю внутреннего сгорания с одним поршнем и одним цилиндром.
На фиг.20 изображен пример более сложной конструкции двухкамерного роторного ДВС, который имеет четыре камеры сгорания, четыре свечи зажигания и четыре комплекта колес для каждой из камер (цилиндров). В такой конструкции двигателя мы видим, что количество валов осталось (как и в случае с простейшим двухкамерным роторным ДВС на фиг.19) равным трем. Не изменилось и количество шестерен привода валов. Таким образом эффективность конструкции удается повысить еще за счет того, что соотношение литрового объема двигателя к его массе более выгодно, чем в конструкции, изображенной на фиг.19. По функциональности данная конструкция идентична классическому четырехцилиндровому ДВС, но имеет на порядок более высокий КПД, низкую себестоимость и значительно больший ресурс.
Подведя итог можно сказать, что в предложенном двухкамерном роторном двигателе работа воспламененной сгорающей горючей смеси направлена непосредственно на совершение вращательного движения самого рабочего вала ДВС, что позволяет уйти от таких негативных процессов, присутствующих в традиционных двигателях, как вибрация или ударные воздействия, и что в конечном итоге значительно увеличивает срок его службы (моторесурс). Соотношение литровой мощности к массе и габаритам двигателя значительно более выгодное, чем у поршневых двигателей и роторных конструкций Ф. Ванкеля. Двигатель, по сравнению с традиционными поршневыми, имеет малое количество деталей, что снижает себестоимость его производства, упрощает эксплуатацию и ремонт.