РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ХОЛОДНОГО
ROTARY-BLADED COLD INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания с движением рабочих органов в кольцевой рабочей камере и образованием полостей с переменным объемом.
Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания Гридина, содержащий кольцевую рабочую камеру с лопастными роторами, разделяющими ее внутренний объем на изолированные друг от друга полости. Двигатель имеет размещенный внутри внутреннего цилиндра кольцевой рабочей камеры вал отбора мощности, ось которого смещена относительно центральной оси ротора. На валу закреплены две шестерни-эксцентрики, каждая из которых входит в зацепление с шестерней внутреннего зацепления эллиптической формы, жестко связанной с одной из пар лопастных роторов.
Данный двигатель имеет не технологичный в изготовлении механизм периодического изменения скоростей в виде двух пар шестерен внутреннего зацепления эллиптической формы. Другим недостатком является то, что в полостях постоянного объема сжатия смеси как такового процесса не происходит. Смесь проводится каждой из полостей к зоне воспламенения вследствие кругового вращения лопастей ротора, где с помощью электрической свечи горючая смесь воспламеняется и, сгорая, расширяется, осуществляя рабочий ход. Мощность двигателя определяется только объемом камеры и площадью лопатки. (Патент РФ №2257476, F01С 1/077, 2003 г.)
Недостаток, в части отсутствия изменения в ходе вращения ротора объема полостей камеры от большего к меньшему и повышения давления смеси, устранен в поршневом двигателе Ванкеля, который содержит корпус, имеющий рабочую полость, выполненную по эпитрохоиде; вал отбора мощности - эксцентриковый вал, с которого снимается мощность, и свободно установленный на этот вал треугольный ротор с выпуклыми сторонами. В корпусе имеются впускные и выпускные окна, установлена свеча зажигания или форсунка. Ротор совершает круговое движение и одновременно вращается вокруг оси благодаря зубчатому колесу с внутренними зубьями, которое находится в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом, расположенным соосно с эксцентриковым валом. Движение ротора планетарное и за каждый оборот ротора эксцентриковый вал делает три оборота. Вследствие планетарного движения ротора между ротором и корпусом образуются три изолированные полости и, их объем за один оборот ротора дважды увеличивается и дважды уменьшается. Это позволяет в каждой из полостей за один оборот ротора последовательно осуществлять процессы впуска, сжатия, сгорания и расширения (рабочий ход), выпуска, составляющие четырехтактный цикл или за три оборота эксцентрикового вала отбора мощности. (Богданов С.Н. и др. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987, стр.356-358, рис.199)
Однако двигатель Ванкеля имеет недостаток в той части, что, несмотря на достигнутое в 2-3 раза уменьшение массы и габаритов, основные мощностные характеристики для этих параметров сохранились на уровне обычных двигателей внутреннего сгорания. Его высокая трудоемкость из-за сложного профиля цилиндра и ротора снижает в некоторой степени его достоинства.
Известно «Вращающееся нагнетательное устройство отработанных газов для роторно-лопастного насоса» по патенту US №2001011 A, F04С 2/00, 1935 г. Оно содержит камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса и подвижных элементов ротора, разделяющих внутренний объем камеры на полости, вал отбора мощности, расположенный эксцентрично относительно оси ротора, выпускное и выхлопа отработанных газов окна, концентрично закрепленное на валу отбора мощности водило, подвижные элементы представляют собой пластинчатые лопасти. В учебном пособии С.А. Абдрашитова и др. «Насосы и компрессоры», М.: Недра, 1974 г., стр.4 отмечается, что «насосы имеют много общего с гидравлическими двигателями, так как в них совершается процесс, обратный процессу преобразования энергии тока жидкости в механическую в гидротурбине, что приводит к общности в теории и конструировании этих машин, тоже относится к газообразному рабочему телу. Установленные свойства насосов с другими энергетическими машинами открывают широкие возможности использования опыта смежных отраслей».
Автором заявленного двигателя использован этот опыт, однако, в том виде как нагнетательное устройство изложено в патенте US №2001011 А, он не может работать как двигатель.
Дальнейшим развитием по усовершенствованию устройства по патенту US №2001011 А является патент US №6244240 B1, F02B 53/00, 2001 г., в котором введен дополнительно цилиндрический разделительный элемент с оппозитно расположенными на одном конце двумя пазами для взаимодействия с упомянутыми пластинчатыми лопастями, размещенный непосредственно в кармане, предусмотренном в камере, и выполняющий функцию изоляции полости всасывания от полости выхлопа, а также опорный элемент для его удержания. И для этого насоса присущи недостатки вышеупомянутого и он не может выполнять функцию двигателя без его дальнейшего усовершенствования.
Однако по наличию конструктивных элементов и их взаимосвязи он более близок и принят за прототип.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания двигателя по преобразованию потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинетическую энергию движущихся рабочих элементов двигателя с повышением его полезного действия, упрощения конструкции и изоляции полости всасывания от полости выхлопа.
Поставленная задача решается тем, что роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса и подвижных элементов ротора, разделяющих внутренний объем камеры на полости, вал отбора мощности, расположенный эксцентрично относительно оси ротора, впускное и выхлопа отработанных газов окна, механизм изоляции полости всасывания от полости выхлопа, концентрично закрепленным на валу отбора мощности водилом, подвижные элементы представляют собой пластинчатые лопасти, механизм изоляции кинематически связан с валом отбора мощности посредством шестерен и включает цилиндрический элемент с оппозитно расположенными на одном конце, по меньшей мере, двумя пазами для взаимодействия с упомянутыми пластинчатыми лопастями, размещенный непосредственно в кармане, предусмотренном в камере, и опорный элемент.
Новизна выражается в том, что вал отбора мощности двигателя внутреннего сгорания смонтирован на опорах в крышке и перегородке, отделяющей камеру с замкнутым объемом от монтажной полости, образованной крышкой, водило выполнено в виде стакана с продольными пазами по числу подвижных элементов, одними концами смонтированных с возможностью вращения на неподвижной оси ротора, а другими концами размещенных в упомянутых продольных пазах с возможностью взаимодействия с механизмом изоляции полостей и водилом, опорный элемент размещен в монтажной полости, механизм электропитания свечи зажигания смонтирован на конце опорного элемента, а на конце отбора мощности установлен приводной элемент.
Заявленный двигатель имеет конструктивное решение, в котором практически нет ни одной сложной детали, которая имела бы эксцентриситет. Практически все детали обладают повышенной технологичностью, просты в изготовлении и сборке. Эксцентричное расположение вала отбора мощности относительно оси ротора обеспечивает в ходе проворота лопастей изменение объема полостей от максимума до минимума, осуществляя сжатие смеси перед ее воспламенением, тем самым увеличивая КПД двигателя без увеличения объема расхода горючей смеси, что является одной из важнейших характеристик двигателя.
Механизм изоляции полости всасывания от полости выхлопа исключает дополнительный расход горючей смеси, т.е. ее утечку, что делает двигатель значительно экономичным. Изготовлен образец. Для работы двигателя можно использовать как жидкие, так и газообразные виды углеводородного топлива.
Конструкция двигателя поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный по А-А разрез двигателя, а на фиг.2 - поперечный по Б-Б разрез.
Роторно-лопастной двигатель содержит корпус 1, имеющий рабочую камеру 2 с замкнутым объемом, крышки 3 и 4, в нижней части камеры 2 имеется цилиндрический карман 5, сопрягаемый с камерой 2. Перегородка 6 отделяет камеру 2 от монтажной полости 7, образованной крышкой 4. Вал отбора мощности 8 смонтирован на опорах в крышке 4 и перегородке 6, а на его торце жестко закреплено водило 9, выполненное в виде стакана с продольными цилиндрическими пазами 10, образуя кольцевые сектора, в пазах 10 которых установлены секторные шарниры 11. Ось 12 ротора 13 установлена эксцентрично и параллельно валу отбора мощности 8 в камере 2. Ротор 13 включает, по меньшей мере, одну пару пластинчатых лопастей 14, одними концами шарнирно установленных на оси 12, а другими концами размещенных подвижно в секторных шарнирах 11. Лопасти 14 образуют с подшипниками и осью 12 подвижные элементы ротора и разделяют камеру 2 на полости всасывания 15, сжатия 16, рабочего хода 17 и выхлопа 18. Механизм изоляции 19, отделяющий полость всасывания 15 от полости выхлопа 18, включает цилиндрический разделительный элемент 20, размещенный непосредственно в кармане 5, и опорный элемент 21, размещенный в монтажной полости 7. На элементе 20 выполнены, по меньшей мере, два продольных оппозитно расположенных паза 22 для взаимодействия с лопастями 14.
В корпусе 1 имеются впускное 23 и выхлопа 24 отработанных газов окна, а в нижней его части размещен картер 25 для смазывающей жидкости. Механизм 19 посредством шестерен 26 и 27 кинематически связан с валом отбора мощности 8. Механизм 28 электропитания свечи зажигания 29 смонтирован на конце опорного элемента 21, а на конце вала 8 установлен маховик 30, выполняющий функцию приводного элемента. Для охлаждения корпус имеет воздушную рубашку 31 с подачей и выходом охлаждающей смеси через штуцеры 32 и 33. Работа лопастей обеспечена системой смазки посредством каналов, связанных с картером, показанных на чертеже штрихпунктирными линиями.
Двигатель работает следующим образом.
После разгона ротора 13 вместе с лопастями 14 от внешнего источника, например стартера (на чертеже не показан), или через маховик 30, через впускное окно 23 в полость 15 подается рабочая смесь, ротор 13, проворачиваясь, ведет водило 9, которое за счет эксцентричного смещения относительно оси ротора создает сжатие смеси на участке полости 16. Сжатая смесь переносится на участок полости 17, где в запальной камере постоянно искрит свеча, горючая смесь воспламеняется и происходит процесс ее сгорания с расширением газа (рабочий ход), который воздействует на лопасть, площадь которой в ходе ее проворота увеличивается и полость 15 занимает участок полости 18 выхлопа, где заканчивается процесс выпуска сгоревшей смеси.
Лопасти 14, взаимодействуя с водилом 9, проворачивают вал отбора мощности 8, с которого снимается крутящий момент источником потребления. При движении ротора полости перемещаются и за один оборот ротора каждая полость последовательно осуществляет процессы впуска, сжатия, сгорания и расширения, выпуска, составляющие четырехтактный цикл. Через шестерни 27 и 26 осуществляется вращение разделительного элемента 20 совместно с лопаткой 14, а его цилиндрическая часть изолирует (отделяет) полость 18 от полости 15. В дальнейшем цикл повторяется непрерывностью вращения ротора 13.
Если двигатель содержит пару лопастей - он будет двухтактным, при четырех лопастях - четырехтактным и так далее. Двигатель можно объединять в секции и тогда он превращается в многомодульный (многосекционный) агрегат повышенной мощности.
Источники информации
1. С.Н.Богданов и др. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987, стр. 356-358.
2. С.А.Абдрашитов и др. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974, стр.4 (учебное пособие).
3. Патент РФ №2257476, F01С 1/077, 2003.
4. Заявка №2007120877, F01C 1/00, 2007, РФ.
5. Патент РФ №2292463, F01С 1/077, 2005.
6. Патент РФ № 2345225, F01С 1/07, 2007.
7. Пат. US №2001011A, F04C 2/00, 1935 г.
8. Пат. US №6244240 B1, F02B 53/00, 2001 г. (прототип).