Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания
ROTARY-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Предложенный роторно-поршневой двигатель обладает свойством газовой турбины, так как снабжен компрессором, камерой сгорания и турбиной, а по принципу действия является поршневым двигателем внутреннего сгорания с четырьмя тактами работы: впуском, сжатием, рабочим ходом и выпуском.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с вращающимся первым и вторым роторами, выполненными в виде параллельных закрепленных на валу дисков, один из которых, ротор компрессора, установлен примыкающим внутренней поверхностью к одной внешней поверхности корпуса двигателя, а другой из которых, ротор турбины, расположен на заданном расстоянии от ротора компрессора примыкающим к другой внешней поверхности корпуса двигателя. На поверхности ротора компрессора, имеющего больший диаметр, чем ротор турбины, оппозитной поверхности ротора турбины, выполнен радиальный паз с глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой половине дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй половине дуги окружности этого диска. Между роторами расположена камера сгорания, выполненная в виде соосных внешнего, среднего и внутреннего цилиндров, установленных друг в друге. Внешний цилиндр разделен плоскостью, проходящей через оси вала роторов и цилиндров, на полуцилиндры, первый из которых, являющийся корпусом камеры сгорания, жестко закреплен в корпусе двигателя, а второй из которых, одновременно являющийся поршнем, расположен в пазу диска с большим диаметром с возможностью перемещения относительно первого полуцилиндра до прилегания наклонного днища второго полуцилиндра к основанию радиального паза диска. Средний цилиндр и имеющий возможность вращения внутренний цилиндр снабжены окнами для впуска в камеру сгорания рабочей смеси и перепускными окнами для выпуска горящей рабочей смеси. Диск с меньшим диаметром снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом и подпружиненной заслонкой. В днище внутреннего цилиндра, обращенном в сторону ротора турбины, установлена свеча зажигания. В данном роторно-поршневом двигателе осуществляется сжатие топлива в роторе компрессора, одновременно - перемещение рабочей смеси в камеру сгорания, где смесь и сгорает.
7
Тепловая энергия передается на ротор турбины, где и превращается в механическую (патент RU 2193676 С2, МПК F02B 53/08).
Основными недостатками этого двигателя являются пониженные технико-экономические показатели его работы вследствие исполнения диаметра ротора турбины меньшим по сравнению с диаметром ротора компрессора, что приводит к снижению крутящего момента на валу двигателя, и невысокая долговечность вследствие сложности с обеспечением длительной работоспособности элементов камеры сгорания, поскольку ее внутренний цилиндр, подверженный влиянию высоких температур, выполнен вращающимся, что может привести к заклиниванию.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с вращающимися роторами, выполненными в виде параллельных дисков, жестко закрепленных на валу, один из которых с большим диаметром, ротор компрессора, установлен примыкающим внутренней поверхностью к одной внешней поверхности корпуса двигателя, а другой из которых, с меньшим диаметром, ротор турбины, расположен на заданном расстоянии от ротора компрессора примыкающим к другой внешней поверхности корпуса двигателя. На поверхности ротора компрессора, оппозитной поверхности ротора турбины, выполнен радиальный паз глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на одной части дуги окружности этого диска, а именно, на первой половине дуги окружности этого диска, и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого значения на оставшейся части дуги окружности этого диска, а именно, на второй половине дуги окружности этого диска. Между роторами расположена камера сгорания с корпусом, жестко закрепленным в корпусе двигателя, открывающимися и закрывающимися перепускными каналами для соединения камеры сжатия и камеры рабочего хода с камерой сгорания. В радиальном пазу ротора компрессора размещена с выполняющая функцию поршня подпружиненная заслонка ротора компрессора, имеющая возможность перемещения относительно корпуса камеры сгорания до прилегания ее наклонного днища к основанию радиального паза. Ротор турбины снабжен выступом, имеющим возможность контакта с корпусом двигателя и подпружиненной заслонкой ротора турбины. Корпус камеры сгорания выполнен в виде цилиндра, внутри которого расположен вал, имеющий возможность вращения в корпусе камеры сгорания. На одном конце вала в области ротора компрессора жестко закреплен газораспределительный диск с впускными и выпускными каналами для соединения камеры впуска и выпуска с системой впуска и выпуска двигателя, а на противоположном конце вала жестко закреплен внутренний газораспределительный стакан. В камере сгорания в области газораспределительного диска установлена свеча зажигания. В данном роторном двигателе сжатие топливовоздушной смеси осуществляется в роторе компрессора, с одновременным ее перемещением в камеру сгорания, где смесь и воспламеняется, и затем переходит в ротор турбины. Тепловая энергия передается на ротор турбины, где и превращается в механическую (патент RU 2271457 С1, МПК 7 F02B 53/08).
Однако в качестве недостатка вышеуказанного двигателя можно отметить пониженные технико-экономические показатели его работы вследствие исполнения диаметра ротора турбины меньшим по сравнению с диаметром ротора компрессора, что приводит к снижению крутящего момента на валу двигателя.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с повышенными технико-экономическими показателями.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с вращающимися роторами, выполненными в виде параллельных дисков, жестко закрепленных на валу, один из которых, ротор компрессора, установлен примыкающим внутренней поверхностью к одной внешней поверхности корпуса двигателя, а другой из которых, ротор турбины, расположен на заданном расстоянии от ротора компрессора примыкающим к другой внешней поверхности корпуса двигателя, при этом на поверхности ротора компрессора, оппозитной поверхности ротора турбины, выполнен радиальный паз глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на одной части дуги окружности этого диска, и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого значения на другой части дуги окружности этого диска, расположенной между роторами камерой сгорания, выполняющей функцию поршня подпружиненной заслонкой ротора компрессора, размещенной в указанном радиальном пазу с возможностью перемещения, открывающимися и закрывающимися перепускными каналами, соединяющими камеру сжатия и камеру рабочего хода с камерой сгорания, впускным и выпускным каналами, соединяющими камеры впуска и выпуска с системой впуска и выпуска двигателя, свечой зажигания, установленной в камере сгорания, согласно изобретению радиальный паз ротора компрессора выполнен глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой четверти дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого значения на второй четверти дуги окружности этого диска. На поверхности ротора турбины, расположенной с противоположной стороны от введенного маховика, выполнен радиальный паз глубиной, плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой четверти дуги окружности этого диска и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого значения на второй четверти дуги окружности этого диска. Пазы в роторах смещены относительно друг друга на 180°. Ротор турбины имеет наружный диаметр, равный наружному диаметру ротора компрессора. В корпусе двигателя жестко закреплен блок заслонок с подпружиненной заслонкой ротора компрессора, установленной с возможностью перемещения относительно корпуса блока заслонок, и введенной подпружиненной заслонкой ротора турбины, также выполняющей функцию поршня, размещенной в радиальном пазу ротора турбины с возможностью перемещения относительно корпуса блока заслонок. При этом в заслонке ротора компрессора образован открывающийся и закрывающийся при ее перемещении перепускной канал, соединяющий камеру сжатия с камерой сгорания, а в заслонке ротора турбины образован открывающийся и закрывающийся при ее перемещении перепускной канал, соединяющий камеру сгорания с камерой рабочего хода. Камера сгорания размещена в корпусе блока заслонок между обеими заслонками. Двигатель дополнительно снабжен уплотнительными элементами подпружиненных заслонок, выполненными в виде поперечных и продольных уплотняющих пластин, и уплотнительными элементами, расположенными между ротором компрессора и корпусом и расположенными между ротором турбины и корпусом, выполненными в виде подпружиненных уплотнительных колец.
Повышение технико-экономических показателей двигателя обусловлено увеличением диаметра ротора турбины, что приводит к повышению крутящего момента на валу двигателя, и введением блока заслонок малой металлоемкости, что приводит к снижению веса двигателя.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - разрез по линии А-А фиг. 1; на фиг. 3 - общий вид блока заслонок, разрез по линии Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 - разрез по линии Б-Б фиг. 2, схема работы ротора компрессора, развертка; на фиг. 5 - разрез по линии Б-Б фиг. 2, схема работы ротора турбины, развертка.
Основой предлагаемого роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания являются два ротора, ротор 1 компрессора и ротор 2 турбины, расположенные параллельно, жестко закрепленные на одном валу 3 двигателя на заданном расстоянии друг от друга и вращающиеся вместе с валом 3 (фиг. 1). Ротор 1 турбины имеет наружный диаметр, равный наружному диаметру ротора 2 компрессора. Корпус 4 двигателя расположен между роторами 1 и 2 и состоит из двух боковых щек 5 и 6, между которыми расположены внешнее 7 распорное кольцо и внутреннее 8 распорное кольцо. Боковые щеки 5 и 6 стянуты болтами 9, а вал 3 двигателя расположен в их центре на подшипниках 10.
Ротор 1 компрессора выполнен в виде круглого диска и своей внутренней боковой поверхностью плотно прилегает к внешней поверхности боковой щеки 5. На заданном расстоянии от оси вала 3 двигателя на внутренней боковой поверхности ротора 1 компрессора, оппозитной поверхности ротора 2 турбины, выполнен радиальный паз 11 заданной ширины с глубиной, направленной от корпуса 4 двигателя и плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой четверти дуги окружности ротора 1 компрессора и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого значения на второй четверти дуги окружности ротора 1.
Ротор 2 турбины выполнен в виде круглого диска и своей внутренней боковой поверхностью плотно прилегает к внешней поверхности боковой щеки 6. На заданном расстоянии от оси вала 3 двигателя на внутренней боковой поверхности ротора 2 выполнен радиальный паз 12 заданной ширины с глубиной, направленной от корпуса 4 двигателя и плавно увеличивающейся от нулевого до наибольшего значения на первой четверти дуги окружности ротора 2 турбины и плавно уменьшающейся от наибольшего значения до нулевого на второй четверти дуги окружности ротора 2.
Роторы 1 и 2 жестко закреплены на валу 3 таким образом, что максимальные глубины радиальных пазов 11 и 12 роторов 1 и 2 расположены противоположно относительно друг друга по углу поворота вала двигателя равном 180°, то есть пазы 11 и 12 смещены относительно друг друга на 180°.
Роторы 1 и 2 прижимаются своими внутренними боковыми поверхностями к боковым щекам 5 и 6 соответственно с помощью гаек 13.
Внутри корпуса 4 двигателя между щеками 5 и 6 и распорными кольцами 7 и 8 жестко закреплен блок заслонок 14 (фиг. 1, 2). Блок заслонок 14 снабжен корпусом 15, жестко закрепленным в корпусе 4 двигателя и имеющим размеры, позволяющие ему плотно входить в пространство корпуса 4 двигателя между боковыми щеками 5 и 6, внешним 7 распорным кольцом и внутренним 8 распорным кольцом (фиг. 1, 2, 3). В корпусе 15 блока заслонок имеются два углубления 16 и 17, в которых установлены выполняющая функцию поршня подпружиненная заслонка 18 ротора компрессора и выполняющая функцию поршня подпружиненная заслонка 19 ротора турбины с возможностью их перемещения в этих углублениях относительно корпуса 15 блока заслонок параллельно оси вала 3 на величину Нк и Нт соответственно. Заслонка 18 ротора компрессора и заслонка 19 ротора турбины расположены так, что первой по ходу вращения вала 3 двигателя располагается заслонка 18 ротора компрессора, а второй -заслонка 19 ротора турбины. Таким образом, заслонка 18 ротора компрессора размещена в радиальном пазу 11 ротора компрессора, а заслонка 19 ротора турбины размещена в радиальном пазу 12 ротора турбины с возможностью перемещения.
Между заслонками 18 и 19 в корпусе 15 блока заслонок расположена камера сгорания 20, в которой установлена свеча зажигания 21.
Заслонка 18 ротора компрессора размещена своей торцевой поверхностью в радиальном пазу 11 ротора 1 компрессора и плотно прижимается за счет пружины 22 к днищу этого паза. Заслонка 19 ротора турбины входит своей торцевой поверхностью в радиальный паз 12 ротора 2 турбины и плотно прижимается за счет пружины 23 к днищу этого паза.
В корпусе заслонки 18 ротора компрессора образован открывающийся и закрывающийся при ее перемещении за счет вращения вала 3 двигателя перепускной канал 24, периодически соединяющий рабочую полость камеры сжатия 25 в роторе 1 компрессора с камерой сгорания 20 (фиг. 3, 4). Так, перепускной канал 24 полностью открыт, когда заслонка 18 ротора компрессора перемещена на максимальную глубину радиального паза 11 ротора 1 компрессора, и полностью закрыт, когда заслонка 18 ротора компрессора за счет отсутствия глубины радиального паза 11 ротора 1 компрессора полностью помещена в углубление 16.
В корпусе заслонки 19 ротора турбины образован открывающийся и закрывающийся при ее перемещении за счет вращения вала 3 двигателя перепускной канал 26, периодически соединяющий рабочую полость камеры рабочего хода 27 ротора 2 турбины с камерой сгорания 20 (фиг. 3, 5).
Для смягчения удара при перемещении заслонок 18 и 19, когда полностью закрываются перепускные каналы 24 и 26 соответственно, в углублениях 16 и 17 корпуса 15 блока заслонок установлены снабженные пружинами 28 упоры 29 и 30 соответственно (фиг. 3, 4, 5).
В качестве уплотнительных элементов подпружиненной заслонки 18 ротора компрессора и подпружиненной заслонки 19 ротора турбины в корпусе 15 блока заслонок установлены по периметру этих заслонок поперечные подпружиненные уплотняющие пластины 31, и на верхней и нижней поверхностях каждой из этих заслонок установлены продольные подпружиненные уплотняющие пластины 32 (см. фиг. 2, 3).
Для уплотнения рабочих полостей ротора 1 компрессора, разделенных на камеру сжатия 25 и камеру впуска 33 заслонкой 18 ротора компрессора, в боковой щеке 5 выполнены по радиусу внешний паз 34 и внутренний паз 35 (фиг. 1, 4). Между ротором 1 компрессора и корпусом 4 в пазах 34 и 35 установлены зафиксированные от вращения подпружиненные уплотнительные кольца 36 и 37.
Для уплотнения рабочей полости камеры впуска 33 ротора 1 компрессора между ротором 1 компрессора и торцевой поверхностью боковой щеки 5 по ходу вращения вала 3 двигателя расположена уплотняющая пластина 38, прижимающаяся своей торцевой поверхностью за счет пружины 39 к боковой щеке 5 (фиг. 4).
Для уплотнения рабочей полости камеры рабочего хода 27 ротора 2 турбины между ротором 2 турбины и торцевой поверхностью боковой щеки 6 по ходу вращения вала 3 двигателя расположена уплотняющая пластина 40, прижимающаяся своей торцевой поверхностью за счет пружины 41 к боковой щеке 6 (фиг. 5).
Для уплотнения рабочих полостей ротора 2 турбины, разделенных на камеру рабочего хода 27 и камеру выпуска 42 заслонкой 19 ротора турбины, в боковой щеке 6 выполнены по радиусу внешний паз 43 и внутренний паз 44 (фиг. 1, 5). Между ротором 2 турбины и корпусом 4 в пазах 43 и 44 установлены зафиксированные от вращения подпружиненные уплотнительные кольца 45 и 46.
На конце вала 3 двигателя со стороны ротора 2 турбины для соединения с потребителем энергии установлен маховик 47.
В боковой щеке 5 и/или в корпусе 15 блока заслонок выполнен канал 48, предназначенный для соединения камеры впуска 33 с впускным трактом 49 системы впуска двигателя, а в боковой щеке 6 и/или в корпусе 15 блока заслонок выполнен канал 50, предназначенный для соединения камеры выпуска 42 с выпускным трактом 51 системы выпуска отработавших газов двигателя (фиг. 5).
Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено:
- стрелками на фиг. 4, 5- направление вращения роторов 1, 2;
- пунктирными линиями со стрелками на фиг. 4 - направление движения рабочей смеси;
- пунктирными линиями со стрелками на фиг. 5 - направление движения горящей рабочей смеси и выхлопных газов;
- пунктирными линиями на фиг. 4 - канал, предназначенный для соединения камеры впуска с впускным трактом двигателя;
- пунктирными линиями на фиг. 5 - канал, предназначенный для соединения камеры выпуска с выпускным трактом двигателя;
- штрихпунктирными линиями на фиг. 5 - положение ротора компрессора, принимаемое за начало работы двигателя.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
За начало отсчета принимаем положение ротора 1 компрессора, когда начало углубления паза 11 ротора 1 компрессора будет расположено напротив центра заслонки 18 ротора компрессора (фиг. 1, 5). Вращение роторов 1, 2 происходит по часовой стрелке со стороны ротора 2 турбины. Двигатель работает на жидком или газообразном топливе и имеет стандартную систему питания.
Рассмотрим первоначально полный рабочий цикл двигателя от такта впуска до такта выпуска, происходящий с одним зарядом рабочей смеси.
1 такт - впуск - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 0° до 360°. При вращении ротора 1 компрессора от 0° до 180° за заслонкой 18 ротора компрессора создается разряжение, и порция рабочей смеси по каналу 48 и впускному тракту 49 поступает в камеру впуска 33 (фиг. 4). Далее рабочая смесь, находящаяся в камере впуска 33, перемещается вместе с камерой 33 по окружности на угле поворота вала 3 двигателя от 180° до 360°.
2 такт - сжатие - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 360° до 540°. Такт сжатия начинается тогда, когда заслонка 18 ротора компрессора начинает перемещаться и входить в паз 11 ротора 1 компрессора (фиг. 1, 4). В это время начинает открываться перепускной канал 24, соединяющий камеру сжатия 25 с камерой сгорания 20, и рабочая смесь за счет изменения объема камеры сжатия 25 сжимается и перетекает в камеру сгорания 20. Такт сжатия заканчивается тогда, когда заслонка 18 за счет уменьшения глубины паза 11 полностью войдет в углубление 16 и прижмется к упору 29, перекрыв тем самым канал 24, и вся рабочая смесь окажется в камере сгорания 20 в сжатом состоянии. Заслонка 18 далее находится в «утопленном» состоянии на угле вращения вала двигателя от 540° до 720°.
3 такт - рабочий ход - происходит на угле поворота вала 3 двигателя от 540° - 720°. При этом, при угле поворота вала 3 двигателя, равном 540° ± угол опережения зажигания, происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 20 за счет проскакивания искры в свече зажигания 21 (фиг. 2, 5). В этот же момент заслонка 19 ротора турбины начинает перемещаться, входя в паз 12 ротора 2 турбины, открывая тем самым перепускной канал 26, через который горящая рабочая смесь устремляется в камеру рабочего хода 27. За счет горения рабочей смеси создается высокое давление, которое воздействует на наклонную поверхность паза 12 ротора 2 турбины, заставляя ротор 2 вращаться и создавать крутящий момент на валу 3 двигателя. Далее, сгоревшая рабочая смесь, находящаяся в камере 27, вместе с нею перемещается по окружности на угле поворота вала двигателя от 720° до 900°.
4 такт - выпуск - происходит при вращении вала 3 двигателя от 900° до 1080°. При этом отработавшие газы из камеры выпуска 42 по каналу 50 и выпускному тракту 51 выпускаются в атмосферу.
Таким образом, при угле поворота вала 3 двигателя, равном 1080°, заканчивается процесс выпуска, а, следовательно, заканчивается полный рабочий цикл, происшедший в данном роторно-поршневом двигателе с одним зарядом рабочей смеси.
При постоянной работе двигателя происходит следующее. При вращении роторов от 0° до 180° в рабочей полости ротора 1 компрессора (фиг. 4, 5) происходит одновременно сжатие рабочей смеси в камере сжатия 25 и впуск рабочей смеси в камеру впуска 33, а при вращении роторов от 180 до 360° в рабочей полости ротора 2 турбины происходит одновременно рабочий ход в камере рабочего хода 27 и выпуск отработавших газов из камеры выпуска 42. Таким образом, полный цикл совершается на угле поворота вала 3 двигателя, равном 360°.
Для увеличения мощности двигателя при тех же габаритах в двигателе может быть установлен второй аналогичный блок заслонок через 180° от первого блока заслонок.
Использование предлагаемого изобретения позволяет увеличить крутящий момент на валу роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания путем увеличения диаметра ротора турбины, уменьшить вес двигателя вследствие применения блока заслонок малой металлоемкости, повысить степень сжатия рабочей смеси в камере сгорания путем улучшения герметизации рабочих объемов, что способствует повышению технико-экономических показателей двигателя.