Роторный двигатель

 

Использование: в двигателях внутреннего сгорания и может быть применено в различных областях промышленности, в частности в автомобилестроении, самолетостроении, судостроении и др. Сущность изобретения: в роторном двигателе, содержащем 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^o, 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^o, и свеча накаливания, которая смещена относительно форсунки на 20 - 45^o в направлении вращения вала, уплотнительные элементы, в виде подпружиненных пластин, установлены в вершинах ротора с наклоном 7 - 15^o 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^o относительно свечи накаливания в сторону вращения при нахождении ротора в верхней мертвой точке. 1 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности в автомобилестроении, самолетостроении, судостроении и др.

Известен 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) (DE, N 96756, кл. F 02 B 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. Одна 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 зарядка. 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому двигателю является роторный двигатель, содержащий корпус с рабочей полостью, выполненный по конхоиде окружности, двухвершинный ротор с большой и малой осями симметрии и с уплотнительными элементами в его вершинах, установленный на эксцентриковом валу, и неподвижную синхронизирующую шестерню, размещенную в корпусе на подшипнике вала и сопряженную с шестерней внутреннего зацепления ротора. Диаметр неподвижной синхронизирующей шестерни равен половине диаметра шестерни внутреннего зацепления, а синхронизирующая шестерня установлена соосно валу. Эксцентриситет вала составляет половину диаметра неподвижной шестерни. Уплотнительные элементы выполнены в виде пластин. Окна впуска и выпуска на боковой стенке корпуса смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения эксцентрикового вала, причем впускные окна смещены на 90^o, а выпускные на 35 40^o (SU, N 2015372, кл. F 02 B 53/00, 1989).

Значительное смещение окон впуска выпуска существенно увеличило фазу активного рабочего хода, что повысило эффективность работы двигателя. В корпусе двигателя установлена свеча зажигания для воспламенения рабочей смеси бензина с воздухом, что предполагает наличие карбюратора в системе питания, а короткая фаза впуска создание некоторого давления на входе, например, роторно поршневым насосом. Это говорит о том, что двигатель работает на определенном виде топлива (бензине) и не позволяет применять другие, кроме того, почти полное сгорание рабочей смеси при нахождении ротора в верхней мертвой точке создает высокие механические нагрузки на эксцентриковый вал, зубчатую передачу и подшипники. В вершинах ротора установлены пластинчатые уплотнительные элементы, расположенные вдоль большой оси симметрии. За счет центробежных сил, действующих на подпружиненные пластины, возникают большие усилия давления их на рабочую поверхность корпуса, причем эти усилия будут изменяться при различных положениях ротора, так как одна пластина движется по убегающей кривой, а друга по набегающей. Неравномерность силы прижатия пластин будет приводить к неравномерному износу рабочей поверхности корпуса и ухудшению уплотнения, а, следовательно, к снижению надежности работы двигателя.

Техническая задача повышение эффективности работы, заключающееся в том, чтобы снизить механические нагрузки на зубчатую передачу и подшипники вала, улучшить уплотнение, обеспечив равномерность силы прижатия пластин при любых положениях ротора, что способствует равномерному износу рабочей поверхности и позволяет увеличить степень сжатия, а также возможность работы двигателя с различными видами топлива без существенных изменений мощности.

Технический результат достигается тем, что в роторном двигателе, содержащем 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, а окна впуска и выпуска расположены на боковой стенке корпуса и смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения эксцентрикового вала, что впускные окна смещены на 60 90^o, а выпускные на 15 45^o, в камере меньшего объема на рабочей поверхности корпуса установлена форсунка, расположенная по оси симметрии корпуса или со сдвигом ± 10^o, и свеча накаливания, которая смещена относительно форсунки на 20 45 ^o в направлении вращения вала, уплотнительные элементы, в виде подпружиненных пластин, установлены в вершинах ротора с наклоном 7 15^o 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 большое объемное смещение в сторону вращения ротора, при этом ребро выемки смещено на 10 15^o относительно свечи накаливания в сторону вращения при нахождении ротора в верхней мертвой точке.

На чертеже приведена схема роторного двигателя.

Внутри корпуса 1, рабочая поверхность которого выполнена по конхоиде окружности, установлены двухвершинный ротор 2, имеющий большую и малую оси симметрии с уплотнительными элементами 3 в его вершинах, и неподвижная синхронизирующая шестерня внешнего зацепления 4. Эксцентриковый вал 5 установлен внутри корпуса 1 с эксцентриситетом, равным радиусу окружности конхоиды. Внутри ротора 2 установлена шестерня внутреннего зацепления 6. Передаточное отношение шестерен 4 и 6 равно 2. В корпусе 1 имеются отверстия И а Б, служащие для впуска (окно Б) и выпуска (окно А) рабочего тела, и отверстия для установки форсунки 7 и свечи накаливания 8. Окна впуска и выпуска выполнены в стенке камеры большего объема корпуса 1 и смещены по его плоскости симметрии в направлении вращения эксцентрикового вала 5. В связи с установкой форсунки 7 и свечи накаливания 8 в камере меньшего объема, их смещения относительно оси симметрии корпуса 1, давления воздуха на входе и топлива через форсунку 7, формы выемки в гранях ротора 2 и параметров конхоиды окружности, получения оптимальных характеристик по максимальной мощности или экономичности, смещение окон А и Б будет изменяться в пределах 60 90^o для окна Б и 15 45^o для окна А.

В процессе работы двигателя вращательное движение ротора 2 создается за счет обкатывания закрепленной в роторе 2 шестерни внутреннего зацепления 6 вокруг неподвижно установленной в корпусе 1 двигателя шестерни внешнего зацепления 4. Центр ротора 2 вращается вокруг центра эксцентрикового вала 5 по окружности конхоиды, а вершины ротора 2 также описывают конхоиду. В этом случае центробежные силы воспринимаются зубчатой парой. Поскольку рабочая поверхность корпуса 1 имеет конхоидный профиль, повторяя конхоиду, описываемую вершинами ротора 2, то создаются условия для обеспечения постоянства уплотнения между ротором 2 и корпусом 1. Для более надежного уплотнения, а, следовательно, и повышения эффективности работы двигателя, пластины 3 в вершинах ротора 2 подпружинены для обеспечения уплотнения в начальный момент движения ротора 2, наклонены на угол 7 15^o в сторону вращения для компенсации составляющей усилия трения, и торцы пластин 3 соединены каналами с рабочими полостями, причем пластина, скользящая по набегающей кривой, для компенсации увеличивающейся центробежной силы, соединена каналом с камерой большего объема, а пластина, скользящая по убегающей криво, для компенсации уменьшающейся центробежной силы, соединена каналом с камерой меньшего объема где давление рабочего тела выше, чем в камере большего объема. Все это обеспечивает надежное и равномерное давление пластин 3 на рабочую поверхность корпуса 1 в любых положениях ротора 2 и способствует равномерному износу рабочей поверхности. Форсунка 7 представляет собой ряд мелких отверстий, расположенных на линии перпендикулярной рабочей поверхности корпуса 1, а свеча накаливания 8 тонкую пластинку с высоким сопротивлением электрическому току, установленную в фарфоровый изолятор и ребром выступающую из него, расположенную аналогично форсунки 7.

На схеме приведены наиболее оптимальные положения окон впуска и выпуска, а также форсунки 7 и свечи накаливания 8. Окно впуска Б расположено на линии, соединяющей экстремумы конхоиды, а окно выпуска А отстает от окна Б на 50^o, форсунка 7 находится на оси симметрии корпуса 1, свеча накаливания 8 сдвинута на 45^o относительно оси симметрии по направлению вращения вала 5, а ребро выемки в гранях ротора 2 на 60^o при нахождении его в верхней мертвой точке (ВМТ). Наилучший вариант работы двигателя создается, когда сжатый воздух в камеру, а также топливо через форсунку 7, нагнетаются роторно-поршневыми насосами (РПН), установленными соосно с двигателем, причем максимальное давление воздуха в РПН должно совпадать с моментом закрытия окна впуска Б двигателя, а максимальное давление топлива в соответствующем РПН должно совпадать с моментом пересечения вершиной ротора 2 форсунки 7. Протекание рабочих процессов в полостях роторного двигателя показано на схеме. Начало и конец процесса определяются положением конца вектора, соединенного с вершиной ротора 2, вращающегося вокруг вала 5 и проходящего через характерные точки, определяющие начало и конец открытия краем ротора 2 окон А и Б в корпусе 1, а также начало сгорания и наполнения камеры топливом. Начало вектора находится на оси вращения эксцентрикового вала 5, вращение ротора 2 принято против часовой стрелки, а за начало отсчета положение ротора 2 при минимальном объеме.

Сгорание. Процесс сгорания в роторном двигателе начинается за 10 - 15^o угла поворота ротора 2 до достижения минимального объема камеры сгорания. В этот момент ребро выемки в грани ротора 2 совпадает с нитью свечи накаливания 8, а из отверстий форсунки 7 под давлением подается топливо. В зависимости от вида топлива, давления через форсунку 7, установившегося температурного режима, смесеобразования, формы выемки в грани ротора 2 и т.д. горение смеси может идти вяло или вообще не произойдет зажигания смеси, т.е. начало процесса сгорания может существенно сдвинуться и устойчивое горение смеси возникает после прохождения ротором 2 ВМТ, когда смесь топлива с воздухом будет достаточно к этому подготовлена. По мере поворота ротора 2 давление топлива через форсунку 7 увеличивается, что способствует более интенсивному сгоранию смеси. Максимальное давление топлива возникает в момент, когда вершина ротора 2 пересекает форсунку 7, затем подача топлива должна прекратиться, для чего в системе подачи топлива должно быть предусмотрено соответствующее устройство, например, клапан, который при резком падении давления топлива закрывается. До открытия окна выпуска А смесь должна полностью сгореть. Управление двигателем осуществляется путем перекрытия части отверстий в форсунке 7. По существу процесс сгорания совмещен с процессом расширения, при этом происходит плавное изменение давления во всем диапазоне рабочего хода, причем максимальное давление рабочего тела возникает в момент, когда большая ось симметрии ротора 2 близка или совпадает с осью симметрии корпуса 1. В это время создается максимальный крутящий момент, обусловленный не только максимальным давлением в рабочей камере, но и максимальным расстоянием точки зацепления шестерен 4 и 6 от центра ротора 2. Все это способствует плавному изменению крутящего момента и равномерному нагружению зубчатой пары и подшипников эксцентрикового вала 5, а, следовательно, надежности и долговечности работы двигателя. Длительность процесса расширения, а также сгорания составляет около 145^o угла поворота ротора 2.

Фазы выпуска, наполнения и сжатия происходят аналогично, как и у роторного двигателя по патенту РФ N 2015372, кл. F 02 B 53/00, 03.07.1989.

Выпуск газов начинается с момента открытия вершиной ротора 2 выпускного окна А. Этот процесс можно разбить на следующие этапы: первый свободный выпуск от момента открытия выпускного окна А до момента открытия окна Б; второй от момента открытия впускного окна Б до момента закрытия выпускного окна А, при этом происходит принудительный выпуск, протекающий под действием вращающегося ротора 2 при уменьшении объема полости, с продувкой камеры и наполнением. Выпускной патрубок должен быть установлен под углом как и впускной для уменьшения динамических потерь. Поток поступающего под давлением воздуха будет направлен по ходу вращения ротора 2, заполнять вновь образующийся объем камеры и вытеснять отработанные газы. Длительность процесса выпуска составляет 145^o угла поворота ротора 2. В течение 110^o выпуск происходит одновременно с продувкой камеры. Наполнение увеличивающегося объема осуществляется через впускное окно Б, которое будет открыто наполовину при достижении максимального объема камеры. При этом возникают благоприятные условия для начала впуска, т.к. противодавление выпускных газов в этот момент будет сдвинуто к минимуму. Продувка и наполнение будут происходить до закрытия выпускного окна А. Наполнение камеры осуществляется до закрытия впускного окна Б. В конце наполнения скорость изменения объема полости уменьшается, однако для компенсации противодавления, возникающего в связи с уменьшением объема камеры, необходимо, чтобы момент максимального давления в РПН совпадал с моментом закрытия впускного окна Б. Длительность наполнения составляет примерно 160^o угла поворота ротора 2.

Сжатие начинается после перекрытия впускного окна Б и заканчивается при достижении минимального объема полости. Процесс сжатия в роторном двигателе характеризуется большими утечками рабочего тела через уплотнения 3 ротора 2 и протеканием через зазоры продуктов сгорания из предшествующей полости, поэтому степень сжатия не должна быть высокой. Рекомендуемая степень сжатия из условия наибольшей экономичности 8 10, однако в связи с усовершенствованием уплотнения степень сжатия можно увеличить, приблизив ее до дизельного варианта двигателя. Также степень сжатия зависит от параметров формы конхоиды окружности и от формы выемки в гранях ротора 2. Длительность процесса сжатия составляет примерно 50^o угла поворота ротора 2.

При обеспечении достаточного давления воздуха на входе и топлива через форсунку 7 двигатель превращается в дизельный и тогда свеча накаливания 8 не нужна, но для того, чтобы двигатель был работоспособен с любым видом топлива нужна свеча накаливания 8 для запуска двигателя, при дальнейшей работе напряжение, подаваемое на свечу накаливания 8, отключают и зажигание смеси осуществляется от спирали свечи 8, которая будет постоянно нагрета до высокой температуры за счет сгорания рабочего тела. От вида применяемого топлива будет смещаться момент зажигания смеси, качество сгорания и соответственно давление газов будет различным, т.е. будет изменяться крутящий момент на валу 5, однако соответствующим выбором углов смещения окон впуска и выпуска, давлений воздуха и топлива, геометрических параметров выемки в грани ротора 2 и конхоиды окружности рабочей поверхности корпуса 1 можно без существенного изменения мощности оптимизировать двигателя для достаточно широкого диапазона видов применяемого топлива.

Формула изобретения

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, а окна впуска и выпуска расположены на боковой стенке корпуса и смещены от его плоскости симметрии в направлении вращения эксцентрикового вала, отличающийся тем, что смещение впускных окон находится в пределах 60 90^o, а выпускных 15 45^o, в камере меньшего объема на рабочей поверхности корпуса установлена форсунка, расположенная по оси симметрии корпуса или со сдвигом ±10^o, и свеча накаливания, которая смещена относительно форсунки на 20 45^o в направлении вращения вала, уплотнительные элементы, выполненные в виде подпружиненных пластин, установлены в вершинах ротора с наклоном 7 15^o 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, при этом в гранях ротора выполнены выемки, имеющие большее объемное смещение в сторону вращения ротора, а ребро выемки смещено на 10 15^o относительно свечи накаливания в сторону вращения при нахождении ротора в верхней мертвой точке.

РИСУНКИ

Рисунок 1