Роторный двигатель внутреннего сгорания
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и рассматривает конструктивное исполнение двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который может быть применен в качестве источника привода для широкого диапазона механизмов.
Принцип образования переменных объемов при движении двух роторов известен и подробно изложен. Основным вопросом механики данного типа конструкций является система синхронизации роторов. В большинстве известных конструкций присутствуют валы и шестерни. При этом использование валов в системе синхронизации крайне не желательно, т.к. знакопеременные нагрузки на валы приводят их кручение к максимальным значениям и, как следствие, требуется уменьшение сегмента ротора для избежания столкновения роторов при движении, что приводит к увеличению паразитного объема (описан ниже). Причем, ряд изобретателей идут по пути «сближения» роторов, что достигается ими неперпендикулярностью плоскостей вращения роторов, для обеспечения минимальности длины вала. Минимизация шестерен в системе синхронизации является наиважнейшей, т.к. изготовление шестерен больших диаметров для вращения с большими окружными скоростями крайне затруднительно, либо вообще технологически недостижимо на данном этапе развития технологий машиностроения. Для этого приходится уменьшать «диаметр» роторов, что приводит к уменьшению «объема» двигателя, делая его применение крайне ограниченным. Зачастую изобретатели не уделяют должного внимания торцевым поверхностям роторов. Для обеспечения максимальной передачи крутящего момента и снижения изгибающих нагрузок на роторы, торцы роторов должны «заостряться» симметрично. Причем «длина заострения» равна половине максимального размера в поперечном сечении ротора, что обеспечит беспрепятственное прохождение роторов через точки пересечения тороидов вращения. При подходе «заострения» одного ротора к месту пересечения тороидных проточек в корпусе наступает момент, когда сектор другого ротора выходит из корпуса и теряется уплотнение полости переменного объема, именно оставшийся объем и называется «паразитным». При отсутствии теплоизолированности камер его наличие приводит к понижению термодинамического КПД, а сам паразитный объем увеличивает объемные удельные характеристики двигателя, что ухудшает параметры конструкции. Следовательно, при конструировании необходимо уменьшать паразитный объем. Однако неперпендикулярные плоскости вращения роторов, а также валы малого диаметра в системе синхронизации, приводят как раз к увеличению паразитного объема. Ряд конструкций содержит не симметричный ротор, что увеличивает дисбаланс конструкции или приводит к ее утяжелению при попытке нивелировать этот эффект. В одной из конструкций изображен трехдисковый сегмент, что является не оптимальным, т.к. увеличивает габариты двигателя за счет эффективного увеличения паразитного объема из-за увеличения мест пересечения. Не сложно прийти к выводу, что оптимальным является двухсекторный ротор, который применяется в данной конструкции.
Существуют два вида систем синхронизации роторов, различающиеся типом снятия крутящего момента на большом диаметре ротора, назовем его ротором внешнего зацепления, путем передачи - конической или через «купол».
Один вид описан в патентах GB936283 (рис. 28), US 3809022, DE 2034300, ЕР 0091975, GB 2062105, GB 191007516, JP 3718219, US 9253849. Все конструкции связывает один существенный недостаток - высокая окружная скорость шестерни ротора внешнего зацепления. Также в ряде конструкций применены не перпендикулярные плоскости вращения роторов, что снижает КПД.
Второй вид описан в патенте GB936283 (на рис. 23, 24, 33, F01C, опубл. 11.09.1963). Это решение принято в качестве прототипа. В этом решении описан роторный двигатель внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что содержит корпус, составленный из двух трубчатых взаимно пересекающихся частей с кольцевой проточкой внутри в каждой, образующих два канала для перемещения поршней в каждом, при этом в стенках выполнены окна впуска и выпуска, сообщаемые с полостями кольцевых проточек, а указанные трубчатые части связаны между собой кинематической цепью синхронизации вращения, выполненной из зацепленных между собой шестерен. При этом описаны конструкции с валом в системе синхронизации (рис. 23, 24, 33). Система синхронизации на рис. 23 содержит два вала, один из которых промежуточный, а другой - для крепления шестерни. Более того, система по рис. 23 громоздка. Система синхронизации по рис. 24, хотя и содержит всего один промежуточный вал, но имеет при этом шестерню 133 размера, не значительно меньшего, чем та, которая используется в первом виде, и, следовательно, не решает задачи по технологичности изготовления. При этом конструкция получается громоздкой. Особого внимания заслуживает система, изображенная на рис. 33. В ней применяется всего одна коническая пара, система компактна, но имеет достаточно длинный промежуточный вал и не перпендикулярные плоскости вращения роторов, что существенно снижает ее КПД. У всех конструкций частота вращения промежуточного вала в несколько раз превышает частоту вращения роторов (коническая или цилиндрическая передача имеет К=2-3), что резко повышает требования к конструкционным материалам.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции за счет сведения к минимуму паразитного объема при точном ориентировании роторов и обеспечении точной синхронизации вращения роторов и исключении валов в системе синхронизации роторов.
Указанный технический результат достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, составленный из четырех частей, каждая из которых представляет собой Г-образной формы фрагмент, при соединении которых образуются две взаимно перпендикулярно расположенные кольцевой формы в плане стенки с ребрами на наружной поверхности и с кольцевой проточкой внутри, образующих два канала, в каждом из которых расположен с возможностью перемещения вдоль проточки торообразный ротор, при этом каждый торообразный ротор выполнен с продольными вырезами, расположенными снаружи или внутри ротора, образующими полости между этим ротором и поверхностью проточки, сообщаемые с расположенными снаружи стенок камерами, при этом в стенках выполнены окна впуска и выпуска, сообщаемые с полостями между этим ротором и поверхностью проточки, а указанные роторы связаны между собой кинематической цепью синхронизации вращения, выполненной из последовательно зацепленных между собой шестерен, одна из которых введена в зацепление с одним торообразным ротором, а последняя из шестерен - с выходным валом, жестко связанным с другим торообразным ротором.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - продольный разрез ДВС согласно изобретению;
фиг. 2 - Вид А по фиг. 1;
фиг. 3 - показано зацепление шестерен;
фиг. 4 - показан в плане ротор большего диаметра;
фиг. 5 - показан в плане ротор меньшего диаметра;
фиг. 6 - показано начало такта сжатия/такта рабочего хода;
фиг. 7 - показан конец такта сжатия/начало такта горения;
фиг. 8 - показан конец такта горения/начало такта рабочего хода.
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция роторного (впуск - сжатие - горение - расширение (рабочий ход) - выпуск) ДВС купольного типа с системой синхронизации.
В общем случае, роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, составленный из четырех частей, каждая из которых представляет собой Г-образной формы фрагмент, при соединении которых образуются две взаимно перпендикулярно расположенные кольцевой формы в плане стенки с ребрами на наружной поверхности и с кольцевой проточкой внутри, образующих два канала, в каждом из которых расположен с возможностью перемещения вдоль проточки торообразный ротор. Каждый торообразный ротор выполнен с продольными вырезами, расположенными снаружи или внутри ротора, образующими полости между этим ротором и поверхностью проточки, сообщаемые с расположенными снаружи стенок камерами. В стенках выполнены окна впуска и выпуска, сообщаемые с полостями между этим ротором и поверхностью проточки. Роторы связаны между собой кинематической цепью синхронизации вращения для обеспечения вращения торообразных роторов с одинаковой частотой вращения, выполненной из последовательно зацепленных между собой шестерен, одна из которых введена в зацепление с одним торообразным ротором, а последняя из шестерен - с выходным валом, жестко связанным с другим торообразным ротором.
Ниже рассматривается конкретный пример исполнения изобретения.
Роторный ДВС состоит из корпуса, который в свою очередь состоит из четырех четвертей 1 шара (далее именуемыми четвертинками), с выбранными ребрами жесткости 2, в одной из которых обустроена система крепления сдвоенной шестерни 6 системы синхронизации и отбора мощности. Стороны четвертинок, обращенные к ротору 3 с отбором мощности по внутреннему радиусу, неподвижно соединяются по внешнему радиусу и в центре, а стороны четвертинок, обращенные к ротору 4 с внешним отбором мощности, неподвижно соединяются по внутреннему радиусу. Стороны четвертинок в рассматриваемом конкретном примере стягиваются болтами.
1
4
Причем ребра жесткости усиливают корпус в местах, где от давления газов в камерах переменного объема, созданных движущимися роторами, происходят существенные деформации корпуса. Также в корпусе имеются перпендикулярные друг другу полости (тороидные проточки определенной формы с профилем, ответным профилю роторов) для вращения в них роторов 3 и 4, а также полости для крепления системы ориентирования вращения роторов на подшипниках качения (на фиг. 1 изображены в виде полых кругов на роторах). Роторы, изображенные на фиг. 2, представляют из себя тороиды определенного профиля поперечного сечения, которые при вращении в перпендикулярных плоскостях образуют камеры переменного объема вблизи точек С и В, являющимися камерами: расширения (рабочего хода), сжатия, выхлопа, наполнения. Причем на роторах выбраны два симметричных 90-градусных сегмента и торцы роторов симметрично по длине ротора заострены (форма заострения имеет определенный профиль) по образующей на / размера ширины профиля поперечного сечения ротора для избежания пересечения роторов при вращении. Уплотнение камер переменного объема, которые образуются роторами при движении, осуществляется: подвижным уплотнением 5 роторов, неподвижным уплотнением 6 по корпусу и динамическим уплотнением в зазоре между ротором и корпусом (но возможна конструкция и при помощи уплотнительных колец). На роторе 3 ближе к центру неподвижно закреплена шестерня 7 системы синхронизации (фиг. 3), которая входит в зацепление со сдвоенной шестерней 8, установленной на подшипнике качения, которая в свою очередь входит в зацепление с шестерней 9, также установленной на подшипнике качения на опоре 10 корпуса, которая в свою очередь неподвижно соединена с тонкостенным куполом 11, который в свою очередь неподвижно соединен с ротором 4. Сборочный чертеж системы синхронизации представлен на фиг. 3.
Шестерни 7, 8 и 9 подобраны таким образом, чтобы обеспечить вращение роторов с равными угловыми скоростями, шестерня 8 вращается с частотой, равной или близкой к частоте вращения шестерен 7 и 9, что, как описано выше, является существенным достоинством конструкции. Отбор мощности с ротора 3 осуществляется через шестерни 7, 8 и 9, а с ротора 4 - через купол 11. В представленной конструкции шестерни системы синхронизации имеют одинаковую частоту вращения с роторами.
Отбор мощности с ДВС, как машины в целом, осуществляется через фланец 12 отбора мощности. Двигатель устанавливается на опоре 13. Двигатель оснащается двумя симметрично расположенными, относительно точки С, внешними камерами сгорания 14 (фиг. 1 и 6-8), на которых обустроена система поджига 15 для бензиновых двигателей или система предпускового подогрева для дизельных двигателей. Также возможны разнообразные системы впрыска 16 топлива от непосредственного (изображен на фиг. 1) до внешнего (с противоположной стороны от входа в камеру сгорания со стороны вращения ротора) с послойным распределением заряда.
В одной из четвертинок корпуса находятся окна 17 (2 шт.) впуска (рис. 1А), а с противоположной стороны окна выпуска 18 (2 шт.) (вид Б соответствует виду А, при этом изображение на фиг. 2 повернуто на 180 град и на нем нет поз. 11, 8, 9, 12, 10). Считывание положение роторов для управления системой впрыска и поджига осуществляется с датчика 19 (показан один из вариантов установки).
В предложенной конструкции этот недостаток, заключающийся в наличии высокой окружной скорости шестерни ротора внешнего зацепления, устранен путем снижения диаметра шестерни за счет применения колокола.
Двигатель запускается от стартера. Не сложно видеть, что полости вращения роторов пересекаются в двух точках. Непосредственно у одного пересечения располагаются камеры сгорания 14 (точка С на фиг. 2), а у другого находятся окна впуска 17 и выпуска 18 (точка В на фиг. 2).
Система синхронизации и направление вращения стартера задают направления вращения роторов 2 и 3. Пусть роторы вращаются и находятся в положении, как показано на фиг. 2, на котором изображены начало такта расширения слева (в верхней камере сгорания находится сгоревшая топливно-воздушная смесь (далее по тексту - ТВС)) от вертикально движущегося ротора и начало такта сжатия справа, а на противоположном пересечении в этот момент происходит начало такта выхлопа и начало такта впуска также в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости происходит перемещение отработавших газов к выпускным окнам 18 для подготовки такта выхлопа и перемещение свежего воздуха от окон 17 впуска для подготовки такта сжатия. При этом газы, образующиеся при горении ТВС под давлением в 100 атм и при температуре 3000 град С, начинают расширение из верхней камеры сгорания слева от вертикально движущегося ротора, осуществляя полезную работу над горизонтально движущимся ротором. При этом камеры сгорания уплотняются динамическим способом самими телами тороидных сегментов роторов. Через систему синхронизации и отбора мощности крутящий момент передается на другой ротор, приводя его в движение. Когда вертикально движущийся ротор практически прошел место пересечения полостей вращения роторов (фиг. 6-8), а горизонтально движущийся ротор подошел к этому месту, давление в нижней камере сгорания достигает необходимых величин для осуществления сгорания (ТВС), то горизонтально движущийся ротор своим телом образует динамическое уплотнение камеры сгорания, также как и вертикально движущийся ротор, и в следующий момент происходит поджиг ТВС. При этом слева от вертикально движущегося ротора такт расширения оканчивается и давление падает. Пока оба ротора продолжают движения до положения (на фиг. 8) проходит процесс горения ТВС практически при постоянном объеме, если не считать утечки. Затем процесс переходит к другому ротору и все повторяется, начиная с фиг. 6. Выхлоп и впуск осуществляются идентично вблизи противоположного пересечения полостей вращения роторов.
Настоящий двигатель имеет следующие особенности:
- Отсутствует промежуточный вал, высокая жесткость к крутильным колебаниям, что приводит к высокой точности ориентирования роторов, что в свою очередь уменьшает паразитный объем и, как следствие, повышает КПД.
- Технологичность (низкие окружные скорости шестерен позволяют изготовить шестерни при нынешнем уровне технологий).
- Компактность (высокие удельные характеристики).
- Выполнен без подшипников скольжения.
- Выполнен без скольжения поршней по стенкам цилиндра, т.к. роторы имеют достаточную жесткость, в виду нагружения - плоского изгиба, что создает возможность обеспечивать наименьшие зазоры для динамического уплотнения камер переменного объема.
- Точное ориентирование роторов относительно полости вращения за счет использования подшипников качения.
- Не имеет системы газораспределения.
- Горение происходит при квазипостоянном объеме (малыми утечками через динамическое уплотнение).
- Отсутствует возвратно-поступательное движение элементов, присутствует только вращательное.
- Возможность работы при детонационном горении ТВС (существенно увеличивает частоту вращения ДВС).
- Имеется возможность полной теплоизоляции элементов конструкции.
- Сбалансированность роторов и других элементов конструкции.
- Элементы конструкции технологичны (изготавливаются на существующем уровне развития технологий).
- Уменьшение вибраций: 1 оборот ДВС - 4 такта расширения (классический поршневой ДВС - 2 такта расширения).
- Большой крутящий момент, высокая мощность (все давление рабочих газов переходит в крутящий момент).
- Высокий КПД.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть изготовлено с применением материалов и технологий, используемых при производстве современных двигателей внутреннего сгорания. Особенностью заявленного изобретения является оригинальная компоновка и применение новой системы синхронизации вращения роторов.