РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности в автомобилестроении, самолетостроении, судостроении и других.
Известен роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу в полости корпуса, уплотнительные элементы, расположенные в вершинах ротора и выполненные в виде пластин, шестеренную синхронизирующую передачу, неподвижная шестерня которой установлена на подшипнике эксцентрикового вала соосно ему и сопряжена с шестерней внутреннего зацепления ротора. Диаметр неподвижной шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления. Эксцентриситет эксцентрика вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни. Контур рабочей поверхности полости корпуса выполнен по конхоиде окружности. Окна впуска и выпуска на боковой стенке корпуса смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения эксцентрикового вала, причем впускные окна смещены на 90°, а выпускные - на 35-40° (SU №2015372, Кл. Р02В 53/00,1989).
Известен роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу, уплотнительные элементы, расположенные в вершинах ротора и выполненные в виде пластин, шестеренную синхронизирующую передачу, неподвижная шестерня которой установлена на подшипнике эксцентрикового вала соосно с ним и сопряжена с шестерней внутреннего зацепления ротора, при этом диаметр неподвижной шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления, эксцентриситет эксцентрика вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни, контур рабочей поверхности полости корпуса выполнен по конхоиде окружности, впускные окна смещены на 60-90°, а выпускные на 15-45° от плоскости симметрии в направлении вращения, в камере меньшего объема на рабочей поверхности корпуса установлена форсунка, расположенная на оси симметрии корпуса или со сдвигом ±10°, и свеча накаливания, которая смещена относительно форсунки на 20-45° в направлении вращения вала, уплотнительные элементы, в виде подпружиненных пластин, установлены в вершинах ротора с наклоном 7-15° в сторону вращения, а торцевые части пластин в теле ротора соединены каналами с рабочими полостями, причем пластина, скользящая по набегающей кривой, соединена каналом с камерой большего объема, а пластина, скользящая по убегающей кривой, с камерой меньшего объема, выемка в гранях ротора имеет большее объемное смещение в сторону вращения ротора, при этом ребро выемки смещено на 10-15° относительно свечи накаливания в сторону вращения при нахождении ротора в верхней мертвой точке (RU №2070969, F01C 1/00, 1996, 5 стр.).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является роторный двигатель (РПД), содержащий корпус с трохоидальной рабочей поверхностью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу, шестеренную синхронизирующую передачу с передаточным отношением 1:2. Эксцентриситет эксцентрика вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни корпуса, а диаметр шестерни внутреннего зацепления ротора равен двум диаметрам неподвижной шестерни. Каналы, через которые осуществляется газообмен, находятся в корпусе и управляются синхронно с рабочим циклом вращающегося ротора или через клапаны. Рассматриваются четыре варианта положения каналов (окон) (DD 96756, кл. Р02В 53/02, 1973).
Первый вариант клапанный. Окна выполнены в стенке корпуса и расположены симметрично относительно оси симметрии корпуса в камере большего объема. Этот вариант наиболее эффективный из рассматриваемых с точки зрения максимальной длительности фазы рабочего хода, однако имеет весьма короткую фазу впуска, что требует турбонаддува для качественной продувки и заполнения рабочей полости. К недостаткам нужно отнести потери мощности для привода клапанной системы, а также непроизводительные потери рабочей смеси в клапанных каналах.
Второй вариант тоже клапанный. Окна находятся на торцевой поверхности корпуса, окно впуска находится в камере меньшего объема и управляется клапаном, окно выпуска в камере большего объема. Окна несколько смещены по ходу вращения ротора от оси симметрии корпуса. При открытии клапана происходят продувка и заполнение камеры большего объема, а также дозарядка камеры меньшего объема (фаза сжатия). Рабочий ход в этом варианте существенно меньше, чем в первом варианте, как и фаза впуска. Очень короткая фаза впуска требует больших давлений на входе, чтобы компенсировать противодавление в камерах и осуществить качественную зарядку. Недостатки этого варианта аналогичны предыдущему и, кроме того, укороченные фазы рабочего хода и впуска существенно снижают эффективность.
Третий вариант клапанный. Окна находятся на стенке корпуса в камере большего объема рядом друг с другом и незначительно сдвинуты в сторону вращения ротора. В камере меньшего объема на торцевой части корпуса выполнена продувочная щель, несколько сдвинутая от оси симметрии в сторону вращения ротора. При открытии выпускного окна происходит вытеснение отработанного рабочего тела из полости за счет давления газов, а также за счет протекания рабочей смеси через продувочную щель из камеры сжатия до открытия впускного окна. При открытии впускного окна щель закрывается и продувка камеры и наполнение смесью идет за счет впуска. После незначительного поворота ротора выпускное окно закрывается и происходит чистый впуск, фаза которого тоже незначительна. Затем закрывается клапаном впускное окно и происходит процесс сжатия. Фаза рабочего хода равна примерно как и во втором варианте; фазы впуска/выпуска короткие, и довольно длительный цикл сжатия. Сдвиг окон в данном варианте вынужденный, так как продувочную щель целесообразно располагать несколько сдвинув от оси симметрии для достижения достаточного давления в камере сжатия и обеспечения хорошей продувки в начальный момент выпуска. Сдвиг должен быть незначительный, так как при его увеличении существенно увеличиваются потери рабочей смеси. Недостатки те же, что и у вышерассмотренных вариантов.
Четвертый вариант бесклапанный. Окна расположены на торцевой части корпуса в камере большего объема рядом друг с другом и симметрично относительно оси симметрии корпуса. Фаза рабочего хода наименьшая из рассматриваемых вариантов, а фаза впуска выпуска практически перекрыты между собой, что приводит к большим потерям рабочего тела. Короткая фаза рабочего хода и существенные потери рабочей смеси приводят к низкой эффективности этого варианта двигателя, хотя есть некоторые преимущества в связи с отсутствием клапанного механизма (DD 96756, Кл. P02В 53/02, 1973).
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - совершенствование роторного двигателя.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности работы двигателя за счет уменьшения потери мощности на привод клапанной системы, снижении потери рабочей смеси в клапанных каналах, увеличения фазы рабочего хода и впуска, в ликвидации перекрытия фаз впуска и выпуска, приводящих к потере рабочего тела.
Технический результат достигается тем, что в роторном двигателе, содержащем корпус с окном выпуска и с рабочей полостью, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии, установленный на эксцентриковом валу, насос с окном впуска, установленный соосно с роторным двигателем на эксцентриковом валу, содержащий двухвершинный ротор, контуры рабочей поверхности полости корпуса и насоса, выполненные по конхоиде окружности, эксцентриковые валы двигателя и насоса синхронно соединены между собой, между корпусом двигателя и корпусом насоса установлена камера сгорания с находящимися в ней патрубком, установленным на корпусе двигателя, и патрубком, установленным на корпусе насоса, при этом в средней части патрубка, установленного на корпусе двигателя, выполнен кольцевой вырез, и в указанном патрубке установлен клапан поршневого типа, в патрубке, установленном на корпусе насоса, установлен подпружиненный тарельчатый клапан, при этом в средней части указанного патрубка выполнено отверстие, шток клапана поршневого типа и шток тарельчатого клапана синхронно соединены между собой, в двухвершинных роторах двигателя и насоса на торцевой поверхности выполнены пазы вдоль большой оси симметрии ротора, причем ширина пазов равна диаметру пальцев, установленных в полюсе конхоиды, окно впуска насоса выполнено в рабочей поверхности справа от оси симметрии корпуса насоса, причем верхний край окна впуска совпадает с вершиной ротора насоса, находящегося в верхней мертвой точке, окно выпуска выполнено в рабочей поверхности двигателя слева от оси симметрии корпуса двигателя, причем на рабочей поверхности двигателя справа от оси симметрии двигателя установлен противовакуумный клапан.
На фиг.1 приведена принципиальная схема роторного двигателя; на фиг.2 -сечение одного из корпусов двигателя; на фиг.3-принципиальная схема компоновки двигателя с соосным расположением корпусов двигателя и насоса, с общим эксцентриковым валом; на фиг.4 - разрез А - А на фиг.3.
Роторный двигатель содержит основание 1, на котором установлены корпус 2 насоса и корпус 3 двигателя. Внутренние рабочие поверхности корпуса 2 и корпуса 3 выполнены по конхоиде окружности с полюсом "О" на их осях симметрии.
В корпусе 2 и корпусе 3 установлены идентичные двухвершинные роторы 4 с большой и малой осями симметрии.
Роторы 4 установлены с возможностью вращения на шейках идентичных эксцентриковых валов 5, установленных в корпусах 2 и 3 на подшипниках 6 и 7, фиг.2.
Поверхности роторов 4 выполнены по конхоиде окружности. На торцевой поверхности в каждом роторе 4 вдоль большой оси симметрии выполнен паз. Ширина паза равна диаметру пальца 8, установленного в точке полюса конхоиды окружности на торцевых стенках корпуса 2 и корпуса 3.
На эксцентриковых валах 5 в корпусах 2 и 3 между подшипниками 6 и 7 установлены противовесы 9. В торцах эксцентриковых валов 5 со стороны рабочих камер выполнены отверстия 10, которые соединены с отверстиями 11, выполненными в противовесах 9 в радиальных направлениях напротив ряда отверстий 12, выполненных в корпусах 2 и 3. На концах эксцентриковых валов 5 установлены одинаковые звездочки цепного привода 13.
В торцевых стенках корпусов 2 и 3 по оси эксцентриковых валов 5 выполнены отверстия 14 (фиг.2).
Между корпусами 2 и 3 установлена камера сгорания 15, полость которой сообщена с рабочими полостями корпусов 2 и 3 через патрубок 16 и патрубок 17. Патрубок 16 установлен внутри полости камеры сгорания 15 на корпусе 2 насоса в теле патрубка 16. В его средней части выполнено отверстие 18. Напротив входа в патрубок 16 установлен тарельчатый клапан 19 со способностью перемещения в патрубке 16 до упора в седло 20 и обратно. Патрубок 17 установлен внутри камеры сгорания 15, одним концом на корпусе 3, другим - на корпусе камеры сгорания 15. В средней части патрубка 17 выполнен кольцевой вырез 21, внутри патрубка 17 установлен с возможностью перемещения клапан 22 поршневого типа. Штоки клапанов 19 и 22 синхронно соединены синхронизирующим устройством 23. Шток клапана 19 подпружинен пружиной 24, прижимающей тарелку клапана 19 к седлу 20. Шток клапана 22 установлен в синхронизирующем устройстве 23 таким образом, что когда клапан 19 прижат к седлу 20, клапан 22 открывает щель кольцевого выреза 21. В корпусе 3 слева от оси симметрии выполнено окно 25 выпуска. Верхний край окна 25 совпадает с вершиной ротора 4, находящегося в верхней мертвой точке. В корпусе 2 справа от оси симметрии выполнено окно 26 впуска. Верхний край окна 26 совпадает с вершиной аналогичного ротора 4, находящегося в верхней мертвой точке. На корпусе 3 справа от оси симметрии установлен клапан 27. В стенке камеры сгорания 15 установлена свеча зажигания 28.
Роторный двигатель работает следующим образом.
В момент запуска ротор 4 в корпусе 3 и аналогичный ротор в корпусе 2 находятся, например, в верхней мертвой точке.
При вращении эксцентрикового вала 5 по стрелке НВ между поверхностью ротора 4 и внутренней поверхностью корпуса 3 образуется зазор с пониженным атмосферным давлением, при этом откроется подпружиненный клапан 27, через который атмосферный воздух будет поступать в увеличивающийся зазор. Клапан 27 необходим для облегчения запуска двигателя, в дальнейшем во время работы двигателя клапан 27 будет закрыт.
Одновременно с началом вращения ротора 4 в корпусе 3, аналогичный ротор в корпусе 2 своей вершиной откроет окно 26 и начнется всасывание рабочей смеси, а по достижении вершиной ротора нижнего края окна 26 начнется сжатие воздуха и продолжение всасывание рабочей смеси, а в корпусе 3 будет выталкиваться воздух через окно 25 и всасывание воздуха через клапан 27, как говорилось выше, не доходя вершиной 10° до клапана 27.
Когда давление воздуха в корпусе 2 преодолеет силу пружины 24, клапан будет перемещаться в патрубке 16 последовательно открывая отверстие 18, через которое часть сжатого воздуха поступит в полость камеры сгорания 15, вытесняя воздух из нее через щель не полностью перекрытого клапаном 22 выреза 21 в полость между поверхностью ротора 4 и внутренней поверхностью корпуса 3.
По возвращении роторов в верхнюю мертвую точку сжатый воздух из корпуса 2 перейдет в полость камеры сгорания 15.
Сжатый воздух в камере сгорания 15 будет оказывать давление на боковую поверхность клапана 22, перекрывающую кольцевой вырез 21, при этом сила в осевом направлении клапана 22 будет равна 0 и клапан может свободно перемещаться вдоль патрубка 17.
Давление сжатого воздуха на верхнюю и нижнюю поверхности тарелки клапана 19 также не будет препятствовать перемещению клапана 19 в осевом направлении, что повлечет перемещение клапана 19 под действием пружины 24 до прижатия тарелки клапана 19 к седлу 20, а синхронно связанный с ним клапан 22, перемещаясь вдоль оси патрубка 17, откроет щель кольцевого выреза 21.
В образовавшийся зазор между поверхностью ротора 4 и внутренней поверхностью корпуса 3 перейдет сжатый воздух из полости камеры сгорания 15 и окажет давление на поверхность ротора 4.
При этом под давлением сжатого воздуха на ротор сила будет приложена к шейке эксцентрикового вала 5, а сам ротор 4 будет находиться в динамическом равновесии и роль пальца 8 (фиг.2) не испытывая воздействия силы, будет участвовать во вращении ротора 4.
На этом закончится первый оборот запуска.
На втором обороте запуска повторится весь цикл первого оборота, за исключением того, что в камере сгорания 15 будет находиться сжатая смесь и подожженная свечой зажигания 28 приведет во вращение ротор 4.
При дальнейшем вращении роторов 4 давление рабочей смеси в камере сгорания 15 и в корпусе 3 двигателя будет постепенно убывать и когда давление сжатой рабочей смеси на клапан 19 превысит давление в корпусе 3 и силу пружины 24 клапан 19 начнет перемещение вверх, а при открытии отверстия 18 часть сжатой смеси через отверстие 18 вытеснит остаточные газы из камеры сгорания 15, когда клапан 19 выйдет из патрубка 16, клапан 22 перекроет кольцевую щель выреза 21.
Когда роторы 4 займут вновь положение в мертвой точке, под действием пружины 24 клапан 22 откроется, а клапан 19 будет прижат к седлу 20, начнется новый рабочий ход и закончится выпуск отработанных газов через окно 25 и начнется новый впуск рабочей смеси через окно 26.
С этого момента начнется работа двигателя. Наполнение и рабочий ход составляют по 160°, т.е. равноценны.
Во время работы двигателя будет непрерывно охлаждаться воздухом ротор 4 двигателя и аналогичный ротор насоса через отверстия 14 (фиг.2), 10, 11, 12.
Охлаждение роторов 4 позволит работать двигателю на более высоких оборотах.
Известно, что на более высоких оборотах роль уплотнений снижается, как, например, в турбореактивных двигателях (ТРД), где достаточны лабиринтные уплотнения.
В предлагаемом двигателе зазоры между стенками корпуса, и торцовыми стенками, и вершинами ротора могут по эффективности не уступать лабиринтным уплотнениям в ТРД.
Также известно, что одной ступенью в ТРД получить необходимую степень сжатия невозможно, поэтому необходимая степень сжатия достигается введением многоступенчатой.
В роторном двигателе необходимая степень сжатия получается в одном агрегате, поэтому габариты роторного двигателя (РПД) могут соперничать с габаритами ТРД.
Исходя из сказанного выше, можно применить РПД в вертолетах, а если двигатель и насос установить соосно (фиг.3), то можно его применить в самолетах. Комплектующие части и материалы, используемые в РПД, аналогичны комплектующим частям и материалам в ТРД.