Ротативный двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: ротативные двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: ротативный двигатель внутреннего сгорания содержит статор, размещенный в последнем на опорах по меньшей мере один корпус цилиндра с двумя оппозитно расположенными поршнями, закрепленными на общем штоке, смонтированном на кривошипе коленвала, установленного на опорах статора и кинематически связанного через передаточный механизм с корпусом цилиндра, ось вращения которого смещена от оси вращения коленвала на радиус кривошипа, причем крайние внутренние полости цилиндра имеют надпоршневые и подпоршневые камеры, последние из которых сообщаются через впускные окна с впускным каналом, а надпоршневые - через соответствующие окна - с выпускным каналом и каждая крайняя полость цилиндра имеет выполненные по его образующим относительно оси вращения перепускные окна, сообщающие подпоршневые камеры с надпоршневыми. Внутренняя полость статора снабжена противоположно расположенными относительно оси вращения коленвала распределителями-стабилизаторами с обращенными друг к другу плоскопараллельными стенками, взаимодействующими с аналогичными боковыми стенками корпуса цилиндра, при этом каждый распределитель в центральной части имеет внутреннюю полость для размещения опор и корпуса цилиндра и статора, причем в одном из распределителей расположен выпускной канал, а в другом - впускной канал, каждый из которых выполнен по кольцу или части его, а перепускные окна в каждой крайней полости цилиндра расположены по обе стороны относительно его выпускного и впускного окон. 8 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к ротативным двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы для привода исполнительных механизмов.

Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), в которых давление газов на поршень через шатуны преобразуется во вращательное движение коленчатого вала (коленвала). Впуском свежего заряда и выпуском отработанных газов управляет поршень, который при своем возвратно-поступательном движении открывает и закрывает окна системы газораспределения цилиндра, обеспечивая при движении к ВМТ (верхней мертвой точке) впуск свежего заряда в подпоршневую камеру и вытесняя его в подпоршневую камеру при последующем движении к НМТ (нижней мертвой точке).

Благодаря небольшой массе, отсутствию клапанов и сравнительно простой конструкции, упомянутые двигатели широко используются для привода исполнительных механизмов (Ленин И.М. Теория автомобильного двигателя. - М.:1958; Полищук А.П. Моторный инструмент для лесозаготовок. -М.: 1970).

Из технической литературы известно, что размеры машин и агрегатов определяются передаваемыми моментами, а не мощностями. Поэтому повышая частоту вращения какого-либо агрегата, например, коленвала двигателя внутреннего сгорания, при сохранении той же массы можно достигнуть резкого увеличения его мощности. Следовательно, одним из основных направлений форсирования является форсирование двигателя по оборотам коленвала. Известно также, что при современном техническом уровне развития двигатели с КШМ дошли до предела возможностей форсирования по оборотам в основном из-за наличия шатуна в КШМ и наличия возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, что не обеспечивает возможности полного уравновешивания вращающихся деталей. Недостатком двигателя с КШМ является также недолговечность поршневой пары при форсировании по оборотам из-за больших боковых сил трения с цилиндром.

Вместе с тем известны конструкции двигателей (Европейский патент (ЕПВ) N 0454627 АЗ, кл. F 02 B 75/00), у которых нет шатуна и имеется возможность уравновешивания вала с кривошипом и связанных с ним поршнем со штоком. Кроме того, вследствие наличия кинематической связи коленвала с корпусом цилиндра посредством шестеренчатой пары поршни со штоком во время работы двигателя движутся прямолинейно вдоль продольной оси цилиндра, благодаря чему практически отсутствуют боковые силы трения поршня с цилиндром и значительно возрастает срок службы поршневой пары.

Недостатком такой конструкции двигателя является наличие возвратно-поступательного движения поршней со штоком в цилиндре, и соответственно за счет больших сил инерции и наличия больших нагрузок на опоры отсутствует возможность достаточно эффективного форсирования этого двигателя по оборотам.

Известно также техническое решение (Европейский патент ЕПВ N 0210960 A2, кл. F 02 B 57/00), которое при фиксации корпуса цилиндра относительно статора обладает такими же положительными и отрицательными особенностями конструкции и работы, как отмеченный выше двигатель по ЕВП N 0454627 A3, кл. F 02 B 75/00.

Однако при исключении фиксации корпуса цилиндра относительно статора (вариант двигателя, заявленного в патенте) техническое решение N 0210960 A2, (ЕПВ кл F 02 B 57/00) преобразует дополнительное качество: исчезают силы инерции от возвратно-поступательного движения деталей. При этом возвратно-поступательное движение поршней со штоком относительно цилиндра является прямолинейным вдоль продольной оси цилиндра, благодаря чему силы бокового трения поршня будут отсутствовать. Второй вариант исполнения двигателя (ЕПВ N 0210960 A2, кл. F 02 B 57/00) является наиболее близким техническим решением к заявляемому, так как содержит потенциальную возможность эффективного форсирования по оборотам при высокой надежности поршневой пары. В дальнейшем по тексту настоящей заявки рассматривается и анализируется этот второй вариант двигателя, выбранный в качестве прототипа.

При работе двигателя-прототипа коленвал и корпус цилиндра вращаются на опорах, оси которых имеют эксцентриситет, давление газов на каждый поршень через шток поочередно преобразуется во вращательное движение коленвала. Впуском свежего заряда и выпуском отработанных газов раздельно управляют оба поршня, которые при своем возвратно-поступательном относительно цилиндра движении открывают и закрывают окна системы газораспределения.

Причем каждый из поршней при движении к своей ВМТ обеспечивает впуск своего заряда (воздуха или свежей смеси из карбюратора) в свою надпоршневую камеру и вытесняет этот заряд соответственно в свою надпоршневую камеру при последующем движении к НМТ.

Расстояние между осями опор вращения коленвала и осями опор вращения корпуса цилиндра равно радиусу кривошипа коленвала, вследствие чего скорость вращения корпуса цилиндра вдвое меньше угловой скорости вращения коленвала двигателя.

В то же время прототип имеет отрицательные качества.

В прототипе для полного удаления газа из выхлопного патрубка (поз.21 фиг.17 и фиг.8 описание прототипа) каждой крайней полости цилиндра (поз.2) в выхлопной канал (поз.3) требуется надежная герметизация статора 1 с выходным концом патрубка.

Однако из-за наличия значительных центробежных сил и соответственно сил трения герметизирующие и контактирующие элементы патрубка 21 и статора 1 быстро износятся и герметизация будет нарушена. После чего выхлопные газы заполняют пространство внутри статора 1. Более того конструкция двигателя прототипа такова, что при прохождении патрубком 21 зоны около выхлопного канала 31 полость последней будет сообщаться с весьма большим объемом пространства, заключенного между последующей полостью цилиндра и предыдущим 2 патрубком 21. В результате резкого увеличения объема пространства у входа в выхлопной канал 31 из последней (31) выхлопные газы за счет перепада давлений в канале 31 и в упомянутом пространстве резко замедляют скорость вылета в канал 31 и частично заполняют вышеупомянутое пространство. При каждом последующем цикле двигателя перепады давлений в канале 31 и в пространстве перед ним будут повторяться и горячие газы заполняют все свободное пространство внутри статора 1.

Очевидно, что такое размещение части горячих выхлопных газов будет препятствовать возможности форсирования по оборотам и приведет к излишним затратам мощности на преодоление сопротивления вращению корпуса цилиндров внутри статора 1 в среде горячих газов, а в конечном счете приведет к перегреву всей цилиндро-поршневой группы. Для достаточного охлаждения последней потребуется установка специального воздушного нагревателя-вентилятора или применение жидкостей системы охлаждения. Понятно, что установка новых деталей и узлов системы охлаждения повлечет за собой увеличение массы двигателя, а так как часть мощности двигателя будет израсходована на привод вентилятора или насоса системы охлаждения и на преодоление сопротивления вращению цилиндров в среде горячих газов, то в целом, вышеупомянутые недостатки конструкции приведут к ухудшению качества выхлопа, к увеличению массы и уменьшению выходной полезной мощности этого двигателя при попытках форсирования по оборотам.

Из описания прототипа (фиг. 8) следует, что ширина входных отверстий патрубков 21 полостей цилиндров 2 равна или меньше ширины штока 7. А это значит, что столь малое сечение этого отверстия не обеспечит достаточную очистку полостей цилиндра от отработанных газов при высоких оборотах коленвала. Если же увеличить ширину этих отверстий патрубка 21, то возникнет новая проблема; поршневые камеры будут сообщаться с выхлопными патрубками 21, следовательно, резко увеличится расход топлива и уменьшится мощность двигателя. Из изложенного ясно, что из-за малости входного отверстия патрубка 21 в прототипе возможность форсирования по оборотам также исключена.

Продолжая анализировать систему выхлопа прототипа, рассмотрим влияние пространственного расположения выхлопного патрубка 21 на эффективность работы двигателя при форсировании по оборотам. Для этого проведем простейшие расчеты, в которых принимаем, что корпус цилиндра прототипа вместе с выхлопным патрубком 21 вращается с постоянной угловой скоростью ω .

Определим направление вектора поворотного ускорения масс выхлопных газов при движении по патрубку 21. Вектор поворотного ускорения определяет согласно фиг.7 и 12, здесь вектор относительно скорости выхлопных газов направлен вдоль оси патрубка 21. Вектор направлен перпендикулярно плоскости (фиг.7), например, и вниз. При такой ориентации векторов поворотного ускорения будет направлен перпендикулярно оси выхлопного патрубка 21 и в сторону периферийных стенок статора 1.

Как известно, силы, обусловленные наличием ускорения , прямо пропорциональны этому поворотному ускорению и направлены в сторону, обратную от этого ускорения, т.е.

где m - масса выхлопных газов.

Из описания прототипа следует, что силы P будут направлены перпендикулярно отстающей (при вращении) стенки выхлопного патрубка 21 и будут препятствовать вращению корпуса цилиндра при работе двигателя.

Так как величина ускорения прямо пропорциональна угловой скорости ω и линейной скорости выхлопных газов то становится понятным, что при увеличении оборотов двигателя хотя бы в 2,0 раза соответственно примерно в 2,0 раза должны возрасти ω и V, тогда величина W, а значит величина силы сопротивления вращения корпуса цилиндра P возрастает примерно в 4,0 раза.

Из простейшего расчета следует, что конструктивное размещение выхлопного патрубка 21 в прототипе препятствует возможности форсирования его по оборотам.

Кроме того, необходимо отметить отрицательные качества системы впуска свежего заряда.

Согласно приведенным фигурам и описанию конструкции в прототипе оба поршня 5 соединены между собой штоком 7 (фиг.7 и 8), который боковыми стенками разделяет подпоршневые камеры на две части, а торцевыми плоскостями скользит по образующим соответствующих полостей цилиндра, поэтому половины поршневых камер могут сообщаться только через сообщающиеся между собой пропускные окна 20. Такая особенность конструкции прототипа при высоких оборотах коленвала приведет к неполному заполнению подпоршневых камер 30 (фиг.7 и 8). В результате недостатка свежего заряда в поршневых камерах форсирование двигателя прототипа будет невозможно.

Кроме того, впуск свежего заряда в подпоршневые камеры будет весьма затруднен еще и потому, что траектория этого заряда представляет собой линию из отрезков с двумя прямыми углами, где один прямой угол имеет место между впускным каналом 30 и сообщающимися между собой полостями окон 20, а второй прямой угол - между полостями окон 20 и подпоршневыми камерами. Такая траектория свежего заряда с увеличением оборотов коленвала неизбежно приведет к увеличению затрат мощности на так называемые "наносные потери".

Изложенная спецификация схемы впуска свежего заряда в подпоршневые камеры очевидно также препятствует возможности форсирования двигателя по оборотам.

Рассмотрим процесс нагнетания свежего заряда из подпоршневых камер в надпоршневые камеры.

Как следует из описания прототипа (фиг. 9 и 12), стенки перепускных окон 20 имеют такую кривизну, которая придает нагнетаемой массе свежего заряда криволинейную траекторию. Эта траектория совпадает с траекторией входного отверстия выхлопного патрубка 21. Отсюда видно, что специфика конструкции прототипа еще и в том, что масса нагнетаемого свежего заряда направлена и движется навстречу движению внутреннего отверстия выхлопного патрубка 21. Отсюда следует, что основная масса свежего заряда сталкивается со стенкой цилиндра со стороны и в зоне входного отверстия выхлопного патрубка 21. Кроме того, чем выше будут обороты двигателя, тем с большей центробежной силой выхлопные газы будут удерживаться в периферийных частях полостей цилиндра (у головок цилиндра), тем эти газы будут плотней. В то же время около днища поршня, движущегося вниз к НМТ с возрастающей скоростью, будет весьма малое давление, т.е. между днищем поршня и уплотненными выхлопными газами у головки цилиндра будет "коридор" низкого давления, по которому массы свежего заряда будут нагнетаться прямо к входному отверстию выхлопного патрубка 21. Понятно, что такая конструкция системы нагнетания свежего заряда неизбежно приведет к увеличению расхода топлива, снижению мощности при увеличении числа оборотов коленвала.

Таким образом, анализ конструкции известного двигателя и его системы газораспределения показывает, что известная система газораспределения не допускает возможности повышения мощности двигателя при увеличении оборотов коленвала. Наоборот увеличение числа оборотов двигателя неизбежно приведет к снижению мощности, увеличению расхода топлива, ухудшению качества удаления выхлопных газов из цилиндра, к перегреву двигателя, что в целом ухудшает показатель удельной мощности.

Кроме того, размещение элементов передаточного механизма между кривошипом коленвала и опорой этого вала в непосредственной близости от поршней имеет следующие отрицательные качества: опоры коленвала размещены несимметрично относительно продольной оси цилиндра; передаточный механизм расположен в непосредственной близости корпуса цилиндра, при этом каждый распределитель в центральной его части имеет внутреннюю полость для размещения опор корпуса цилиндра и статора, причем в одном из распределителей расположен выпускной канал, а в другом - впускной канал статора, каждый из которых выполнен по кольцу или части его, причем перепускные окна в каждой крайней полости цилиндра расположены по обе стороны относительно его впускного и выпускного окон. В ротативном двигателе перепускные окна в каждой крайней полости цилиндра, противоположно расположенные относительно поршня, имеют верхние внутренние стенки, выполненные под разными углами к продольной оси цилиндра с ориентацией вершин упомянутых углов к продольной оси цилиндра со стороны его головок, а наружная поверхность корпуса цилиндра может быть снабжена ребрами охлаждения, причем статор имеет выполненные в его корпусе окна, сообщающие его внутреннюю кольцевую полость с рабочей средой охлаждения, например, с атмосферой, при этом опоры коленвала расположены в статоре симметрично относительно продольной оси цилиндра, корпус цилиндра со стороны передаточного механизма снабжен ступицей, опирающейся на статор с внутренней и наружной ее стороны.

Статор, корпус цилиндра и шток поршней выполнены составными, контакт наружных боковых стенок корпуса цилиндра с плоско-параллельными стенками распределителей, по меньшей мере с распределителем впускных каналов выполнен по кольцевым поверхностям через концентрично расположенные выступы и впадины; распределитель-стабилизатор по меньшей мере с выпускным каналом снабжен кольцевой впадиной или группой их, концентричных друг другу и смещенных относительно друг друга в направлении от коленвала, а корпус цилиндра снабжен взаимодействующей с упомянутой впадиной кольцевым ограничителем или группой их.

Однако следует отметить, что при анализе заявляемой совокупности конструктивных признаков было выявлено известное техническое решение (патент РСТ N WO 90/15978 МКИ F 02 B 57/08), в котором корпус цилиндра, коленвал имеют аналогичное конструктивное выполнение и кинематическую взаимосвязь как в ранее рассмотренном техническом решении (патент ЕПВ - прототип), так и в заявляемом. В то же время в известном решении (патент РСТ N 90/15978) система газораспределения содержит размещенный в статоре распределитель, в котором выполнены впускной и выпускной кольцевые каналы на разных уровнях от опор коленвала. Однако в целом система газораспределения этого двигателя отличается от выбранного прототипа, так как имеет специальную систему перепуска для подачи свежего заряда из впускного канала в камеру сгорания цилиндра, объем которой не ограничен объемом надпоршневых полостей цилиндра и размещен в объеме, заключенном между внутренней кольцевой полостью статора и надпоршневой полостью цилиндра.

При таком выполнении двигателя в соответствии с пат.WO 90/15978 будут иметь место не только те недостатки, связанные с работой двигателя и его системы газораспределения, которые были описаны ранее заявителем при анализе известного технического решения по патенту ЕПВ N 0210960, объясняющиеся ненадежностью работы двигателя в процессе происходящего в нем газообмена (разгерметизация, перегревание, потери мощности при нагнетании заряда), но и другие более существенные недостатки, вытекающие из конструктивного выполнения двигателя по патенту РСТ WO N 90/15978: увеличение массы и габаритов двигателя за счет выноса перепускных каналов системы газораспределения за пределы статора; увеличение массы и габаритов двигателя за счет распределителя, имеющего и впускной, и выпускной каналы; дополнительное уменьшение показателей двигателя по мощности вследствие близкого расположения каналов впуска и выпуска в общем распределителе, так как не исключается попадание свежего заряда в выпускной канал и наоборот;
нетехнологичность изготовления двигателя вследствие предложенной системы газораспределения статор-цилиндр и конструктивного сопряжения его деталей.

В целом ротативный двигатель по патенту N 90/15978 не может быть использован по указанным выше причинам для привода малогабаритного оборудования, например, переносных мотопил.

Таким образом, проведенный научно-технический анализ предложения и известного уровня техники свидетельствует о том, что заявленное техническое решение не следует явным образом из уровня техники, при этом признаки изложенной совокупности взаимосвязаны, находятся в причинно-следственной связи с ожидаемым техническим результатом, а предложение соответствует критериям изобретения "изобретательский уровень", "новизна", промышленная применимость.

На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя (здесь шток вместе с "верхним" поршнем находится в ВМТ, а "нижний" поршень находится в НМТ); на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг.1 корпуса цилиндра в плоскости, проходящей через впускной и выпускной окна цилиндра (контуры перепускных окон показаны штриховыми линиями); на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б (статор не показан), здесь пояснено расположение выпускных окон цилиндра относительно угловой кольцевой зоны выпускного канала распределителя-стабилизатора для случая расположения штока с поршнями согласно фиг.1; на фиг.4 - поперечный разрез В-В (фиг.1), здесь проиллюстрировано расположение впускных окон цилиндра относительно угловой кольцевой зоны впускного канала распределителя-стабилизатора для случая расположения штока с поршнями фиг.1; на фиг.5 - (без статора) поперечный разрез Г-Г двигателя, здесь видно изменение положения поршней в полостях цилиндра относительно выпускных и перепускных окон цилиндра при повороте корпуса цилиндра против часовой стрелки от исходного (фиг. 1) положения на угол порядка 20-30^o; на фиг.6 - поперечный разрез (без статора) Д-Д двигателя фиг.1, здесь пояснено изменение положения поршней в полостях цилиндра относительно впускных окон при повороте корпуса цилиндра в упомянутом (фиг. 5) направлении на угол порядка 90^o от положения фиг.1 "верхний" и "нижний" поршень, практически равноудаленный от своих ВМТ и НМТ; на фиг. 7 - разрез двигателя по сечению В-В (фиг.1) для случая расположения корпуса цилиндра согласно фиг.6, здесь продемонстрировано изменение относительного положения впускных окон цилиндра и впускного канала распределителя-стабилизатора при повороте корпуса цилиндра на 90^o от исходного положения фиг. 1; на фиг.8 - разрез двигателя сечения Б-Б (фиг.1) для случая расположения корпуса цилиндра согласно фиг.6, здесь проиллюстрировано изменение относительного положения выпускных окон цилиндра и выпускного канала распределителя-стабилизатора при повороте корпуса цилиндра на 90^o от исходного положения фиг. 1; на фиг. 9 поперечный разрез Г-Г двигателя (фиг.1,но без статора) при повороте от его положения, соответствующего фиг.6, здесь приводится схема движения масс свежего заряда в надпоршневой камере "верхнего" поршня в процессе продувки-наполнения этой камеры, "нижний" поршень не доходит до своей ВМТ на угол порядка 20-30^o; на фиг.10 - "вид E" (фиг.1, вид сбоку), здесь указано возможное выполнение (размещение) входного отверстия выпускного канала распределителя-стабилизатора.

Ротативный двигатель внутреннего сгорания содержит статор 1, размещенный в нем, на опорах 2 и 3 корпус цилиндра 4 с двумя оппозитно расположенными поршнями 5 и 6, закрепленными на общем штоке 7, смонтированном на кривошипе 8 коленвала 9, установленного на опорах 10 и 11 статора 1 и кинематически связанного через передаточный механизм 12 с корпусом цилиндра 4, ось вращения 1-1 которого смещена от оси II-II вращения коленвала 9 на радиус кривошипа. Корпус цилиндра 4 имеет среднюю 13 и крайние 14 и 15 полости. В средней полости 13 размещаются кривошип 8 и массы противовеса 16, а крайние внутренние полости 14 и 15 имеют подпоршневые 17 и подпоршневые 18 камеры, последние 18 из которых сообщаются через выпускные окна 19 с выпускным каналом 20, а подпоршневые камеры 17 через выпускные окна 21 сообщаются с впускным каналом 22. Каждая крайняя 14 и 15 полость цилиндра имеет выполненные по его образующим относительно оси вращения перепускные окна 23 и 24, сообщающие подпоршневые камеры 18 с надпоршневыми 17. Внутренняя полость статора 1 снабжена противоположно расположенными относительно продольной оси корпуса цилиндра 4 распределителями-стабилизаторами 25 и 26 с обращенными друг к другу плоскопараллельными стенками 27, взаимодействующими с аналогичными боковыми стенками 28 корпуса цилиндра 4, при этом каждый распределитель-стабилизатор 25, 26 в центральной его части имеет внутреннюю полость для размещения опор 2 и 3 корпуса цилиндра 4 и статора, причем в одном из распределителей-стабилизаторов 26 выполнен (расположен) выпускной канал 22, а в другом 26 - впускной канал 20, каждый из которых выполнен по кольцу или части его, причем при выполнении каналов в виде части кольцевой зоны, часть кольцевой зоны выпускного канала 22 расположена со стороны, противолежащей оси II-II вращения коленвала 9 (фиг. 3), а часть кольцевой зоны впускного канала 20 повернута относительно зоны выпускного канала 2 в направлении вращения корпуса цилиндра 4. Угол этого поворота не больше 220-270^o и определяется расчетом для соответствующего типоразмера двигателя. Средние значения этого угла примерно равны 180^o, наименьшее значение порядка 90^o. Распределители-стабилизаторы 25 и 26 могут быть выполнены как заодно со статором 1, так и отдельно (фиг. 1). На фиг. 1 показан вариант выполнения распределителя-стабилизатора 26, содержащий выпускной канал 20, изготовленный заодно со статором 1, и вариант отдельного изготовления распределителя-стабилизатора 25, содержащего выпускной канал 22. Плоскопараллельные стенки 27 и аналогичные боковые стенки 28 корпуса цилиндра 4 по меньшей мере в зоне впускных каналов 20 имеют кольцевые выступы и впадины (фиг. 1), концентричные относительно оси I-I вращения корпуса цилиндра 4. Форма выступов и впадин может быть различной, например, треугольной (как показано на фиг. 1). Необходимо отметить, что распределитель - стабилизатор может быть выполнен также из двух или нескольких деталей, а наружная боковая стенка корпуса цилиндра 4 по меньшей мере со стороны впускного канала 20 снабжена кольцевым ограничителем 29 или группой их, а наружные стенки распределителя - соответствующими кольцевыми впадинами, концентричными друг другу и смещенными в направлении от коленвала. Диаметр кольцевых ограничителей и упомянутых впадин при групповом их выполнении различны с уменьшением диаметров в направлении от взаимодействующих между собой стенок цилиндров и распределителя. Установка кольцевого ограничителя 29 будет дополнительно способствовать устойчивости вращения корпуса цилиндра 4, предотвращая его смещение от статора 1, и обеспечивает герметичность сопряжения боковых стенок 27 и 28 соответственно надежности работы двигателя. Кольцевой ограничитель 29 может быть выполнен составным и объемным по отношению к корпусу цилиндра 4.

Как видно из фиг. 1, 3, 4, 7, 8 фазы газораспределения могут быть симметричными и несимметричными, при этом завершение или начало той или иной фазы (например, при впуске или выпуске) может определяться как распределением нижних и верхних кромок впускных окон 19 и выпускных 21 окон по расстоянию относительно оси вращения I-I корпуса цилиндра 4, так и угловым размещением боковых кромок этих 19 и 21 окон относительно аналогичных кромок впускных 20 и выпускных 22 каналов, или комбинированным способом.

В случае варианта кольцевого выполнения выпускных и впускных каналов газораспределением будут управлять поршни, открывая и закрывая впускные и выпускные окна цилиндра при перемещениях в крайних плоскостях цилиндра. В этом случае фазы газораспределения будут симметричными.

Перепускные окна 23 и 24 в каждой крайней плоскости 14 и 15 корпуса цилиндра 4 расположены по обе стороны относительно его впускного 19 и выпускного 21 окон (фиг. 1 и 2). Эти наружные окна 23 и 24 имеют верхние внутренние стенки 30, выполненные под разными углами (фиг. 5) к продольной оси цилиндра с ориентацией вершин упомянутых (α и β) углов к продольной оси цилиндра со стороны его головок. Помимо изложенного продольные оси перепускных окон 23 и 24 могут быть расположены под углом к продольной оси цилиндра с наклоном к образующим цилиндра со стороны впускных окон 19. Такой наклон обеспечивает продувку-наполнение части объема надпоршневых камер 17 в первую очередь над впускными окнами 19, то есть гарантируется очистка наиболее отдаленных от впускных окон объемов надпоршневых камер 17.

Перепускные окна 23 с углами α , большими углов β , при вращении корпуса цилиндров 4 расположены и вращаются с опережением соответствующих поршней в полостях цилиндра, а окна с углами β расположены и вращаются с отставанием от этих поршней.

Наружная поверхность корпуса цилиндра 4 может быть снабжена ребрами охлаждения 31, а статор 1 имеет выполненные в его корпусе окна 32 и 33, сообщающие его внутреннюю кольцевую полость с атмосферой (фиг. 1). Если система охлаждения двигателя, например, воздушная, то окна 32 служат для впуска воздуха из атмосферы в кольцевую полость статора 1, а через окна 33 воздух будет удаляться из этой полости посредством ребер 31 воздушного охлаждения. Эти ребра могут иметь криволинейную поверхность для обеспечения лучшего охлаждения двигателя. Окна 32 и 33 могут снабжаться шторками (жалюзями) для регулирования температурного режима двигателя или устройствами, позволяющими изменять пропускную способность этих окон, выполненными с той же целью, либо теми и другими. В случае жидкостного или иного охлаждения окна 32 и 33 будут соединяться с трубками для подвода и отвода хладагента.

Расположение окон 32 и 38 по боковым и периферийным поверхностям статора может быть равномерным или иным.

Опоры 10 и 11 коленвала 9 расположены в статоре 1 симметрично относительно продольной оси цилиндра, при этом корпус цилиндра 4 со стороны передаточного механизма 12 снабжен ступицей 34, опирающейся на статор с внутренней и наружной ее сторон (фиг. 1). Ступица 34 может быть выполнена разъемной (на фиг. 1 показано), а в плоскости их сопряжения с корпусом цилиндра 4 могут быть установлены теплоизолирующие прокладки для обеспечения нормального температурного режима работы элементам передаточного механизма 12. Передаточный механизм может состоять из двух зубчатых колес, одно из которых закрепляется со ступицей 34, а другое, меньшего диаметра, монтируется или изготавливается заодно с коленвалом 9.

Для удобства монтажа, демонтажа и обслуживания двигателя статор 1, корпус цилиндра 4 и шток 7 выполняется составными, а отдельные их части закрепляются посредством разъемных соединений (на фиг. 5, 6 и 9 показаны составные части корпуса цилиндра 4 и вариант соединения частей штока 7 и шейки коленвала 9).

Необходимо отметить, что как впускные, выпускные, так и перепускные окна корпуса цилиндра 4 могут быть выполнены как с перемычками, разделяющим отдельные окна на части, так и без перемычек. Варианты исполнения выпускных окон с перемычками в качестве примера показаны на фиг. 1 и 5.

Кроме того, впускные окна 19 могут быть выполнены с наклоном внутренней верхней поверхности к оси цилиндра и с такой высотой поперечной кромки этой поверхности, когда при нахождении одного из поршней в положении около его НМТ свежий заряд через полость этого впускного окна 19, ограниченную образующей боковой поверхностью поршня и кольцевой поверхностью распределителя-стабилизатора со стороны угловой кольцевой зоны впускного канала 20, может перепускаться в надпоршневую камеру 17 из подпоршневой камеры 18, способствуя быстрому заполнению этой камеры свежим зарядом и вытеснению остатков отработанных газов в глушитель. Кроме того, перепускание части свежего заряда таким образом позволит еще более уменьшить затраты мощности двигателя при процессе продувки - наполнения соответствующей подпоршневой камеры 17.

Средняя полость 13 корпуса цилиндра 4 изолирована от крайних полостей 14 и 15. С этой целью в сопряжениях штока 7 со стороны могут быть установлены уплотнения.

Кольцевые или части кольцевых полостей каналов распределителей-стабилизаторов, например с глушителем или с карбюратором, сообщаются через входные отверстия. Такие отверстия 35 для сообщения полостей впускного канала 20, например с карбюратором, показаны на фиг. 1 и 10 (вид Д, карбюратор и глушитель не показаны).

Техническое предложение может содержать также систему смазки (с необходимыми уплотнениями), систему пуска, систему питания, систему зажигания. Система зажигания, как уже ранее подчеркивалось, преимущественно воздушная, может быть использована и смещенная или иная. Смазка двигателя осуществляется путем добавления к топливу смазочных средств и(или) путем предварительного и дополнительного нагнетания необходимого их количества в полости опор двигателя, который может содержать также муфту для соединения и разъединения с исполнительным механизмом. Воспламенение сжатого в подпоршневых камерах 17 заряда может быть принудительным от свечи зажигания (не показаны). В этом случае в ступице статора может быть выполнено отверстие (или канал) для размещения провода высокого напряжения, соединяющее магнето (или иную систему зажигания) со свечами зажигания, установленных в головках крайних полостей цилиндра.

Ротативный двигатель может иметь систему питания с непосредственным впрыском топлива в подпоршневые камеры 18 или в кольцевую полость (или в части этих полостей) впускного канала 20 распределителя-стабилизатора. В этом случае входное отверстие 35 этого канала 20 будет сообщаться с атмосферой через воздушный фильтр, установленный на статоре, на последнем будет монтироваться и установка, обеспечивающая своевременный впрыск необходимого количества того или иного вида топлива, или смесей топлива.

Использование системы питания с непосредственным впрыском топлива предпочтительно с точки зрения экономии топлива, а предлагаемый двигатель приспособлен к снабжению такой системой питания. Кроме того, возможен вариант выполнения двигателя с впрыском топлива в надпоршневые камеры.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

При неподвижном статоре 1 по мере вращения коленвала 9 и корпуса цилиндра 4 выпускные окна 19 поочередно сообщаются с каждой из подпоршневых камер 18. Соответственно выпускной канала 22 распределителя 25 через выпускные окна 22 распределителя 25 через выпускные окна 21 также поочередно сообщаются с надпоршневыми камерами 17 (фиг. 1, 9).

Рассмотрим подробнее фиг. 1 - 4. Один из поршней 5, назовем его "верхним", на фиг. 1 находится около своей ВМТ, а другой - "нижний" 6 - около своей НМТ. При таком пространственном положении поршней 5 и 6 и штока 7 в надпоршневой камере 17 "верхнего" поршня 5 завершился процесс сжатия свежего заряда, от свечи зажигания, например, подается искра для воспламенения сжатого заряда. В подпоршневой камере 18 этого поршня 5 завершается впуск свежего заряда, при этом впускной канал 20 распределителя-стабилизатора 26 через впускные окна 19 все еще продолжает сообщаться с этой камерой 18. Из надпоршневой камеры 18 "нижнего" поршня 6 завершается процесс нагнетания свежего заряда в надпоршневую камеру 17, которая в этот момент сообщается с выпускным каналом 22 распределителя-стабилизатора 25 (и с подпоршневой камерой 18 через перепускные окна 23 и 24).

Итак, свеча зажигания (не показана) воспламеняет свежий заряд, и "верхний" поршень 5 под действием давления сгорающих и расширяющихся газов, перемещаясь вдоль продольной оси цилиндра от своей ВМТ, через шток 7 поворачивает коленвал 9.

Посредством передаточного механизма 12, например, из зубчатых колес (показан на фиг. 1), вращение от коленвала 9 передается корпусу цилиндра 4, при этом последний вращается в два раза медленнее коленвала 9, а траектория шейки коленвала, штока 7 и поршней 5 и 6 совпадает с передней осью цилиндра.

При определенном последующем угле поворота корпуса цилиндра 4 прекращается сообщение впускного канала 20 с подпоршневой камерой 18 "верхнего" поршня 5 и свежий заряд в этой камере 18 начинает сжиматься. На фиг. 5 показано относительное положение поршней 5 и 6 при повороте корпуса цилиндра 4 примерно на 20-30^o. При этом в крайней полости 14 цилиндра камеры 17 и 18 могут еще сообщаться через перепускные окна 23 и 24.

Надпоршневая камера 17 "нижнего" поршня 6 примерно в это же время (несколько позже или раньше) перестает сообщаться с подпоршневой камерой 18, так как перепускные каналы 23 и 24 перекрываются поршнем 6, и вслед за этим прекращается сообщение выпускных окон 21 с выпускным каналом 22 распределителя 25, в результате в камере 17 свежий заряд начинает сжиматься. Почти одновременно с перекрытием перепускных окон 23 и 24 или чуть позднее начинается сообщение подпоршневой камеры 18 "нижнего" поршня 6 через впускные окна 19 с впускным каналом 20 распределителя 26, в эту камеру 18 поступает свежий заряд и начинается процесс наполнения (фиг. 6 - 8).

При дальнейшем вращении коленвала 9 и относительном перемещении поршней 5 и 6 вдоль продольной оси цилиндра в его крайних полостях 14 и 15 при определенных углах поворота корпуса цилиндра 4 надпоршневая камера 17 "верхнего" поршня 5 через выпускные окна 21 сообщается с выпускным каналом 22 и начинается процесс свободного выпуска отработанных газов из этой камеры 17 (фиг. 6 - 8). Одновременно в подпоршневой камере 18 этого поршня 5 будет продолжаться сжатие свежего заряда. В камерах 17 и 18 "нижнего" поршня 6 сжатие и наполнение продолжаются. По мере дальнейшего вращения корпуса цилиндра 4 и коленвала 9 и выпуска отработанных газов "верхний" поршень 5, перемещаясь, открывает перепускные окна 23 и 24 (фиг. 9) и начинается процесс продувки-наполнения, когда свежий заряд нагнетается из подпоршневой камеры 18 в надпоршневую 17. При этом потоки свежего заряда выталкивают массы отработанных газов из надпоршневой камеры 17.

При приближении "верхнего" поршня 5 к НМТ (фиг. 9) и нахождении его около этой своей НМТ процесс продувки - наполнения продолжается. В этом положении поршня 5 впускной канал 20 распределителя 26 изолирован от поршневой камеры, а через выпускной канал 22 отработанные газы удаляются в глушитель (не приводится).

В момент достижения "верхним" поршнем 5 своей НМТ "нижний" поршень 6 занимает положение около ВМТ и принимает пространственную ориентацию, соответствующую "верхнему" поршню 5 согласно фиг. 1. Верхний поршень 5 в этот момент времени имеет положение, соответствующее "нижнему" поршню 6 согласно фиг. 1.

В таком промежуточном положении "нижнего" поршня 6 в его надпоршневой камере 17 заряд воспламеняется и начинается движение этого поршня 6 к его НМТ, т. е. начинается рабочий ход "нижнего" поршня 6. В подпоршневой камере 18 этого поршня 6 от его ВМТ впускной канал 20 перестает соединяться с впускным окном 19 крайней полости 14 цилиндра и свежий заряд в камере 18 начинает сжиматься. По мере вращения корпуса цилиндра 4 и коленвала 9 процессы в камерах "нижнего" поршня 6 будут повторять предыдущие описанные процессы в камерах 17 и 18 "верхнего" поршня 5.

Из приведенного описания работы двигателя понятно, что рабочий ход поршня в каждой из крайних полостей цилиндра совершается через 180^o угла поворота корпуса цилиндра 4 вокруг оси I-I вращения, а коленвал 9 при этом совершает полный оборот вокруг своей оси I-I.

В отличие от прототипа впуск свежего заряда через впускные окна 19 в подпоршневые камеры 18 происходит по прямой линии и поэтому, благодаря отсутствию излишних "насосных" потерь мощности, нет никаких препятствий для форсирования двигателя по оборотам. Более того (фиг. 2) свежий заряд, благодаря рациональной ориентации продольных осей вращения окон 19, в подпоршневых камерах 18 приобретает вращательное движение вокруг штока 7 (стрелки по фиг. 2) что, как известно, исключительно эффективно способствует лучшему смесеобразованию при высоких оборотах двигателя, и соответственно повышает его топливную экономичность.

Выпускные окна 21 и выпускной канал 22 распределителя 25 могут быть выполнены любой ширины в пределах габаритов цилиндра, и их проходные сечения обеспечивают наилучший выпуск отработанных газов в глушитель.

Благодаря рациональной конструкции и оптимальной направленности (фиг. 1, 2) потока отработанных газов относительно оси вращения корпуса цилиндра 4, полностью исключается отрицательное влияние сил инерции масс отработанных газов от их поворотного ускорения на вращение этого корпуса цилиндра 4, так как поворотное ускорение и плечо приложения этих сил не имеют места.

Кроме того, кольцевая внутренняя полость статора 1 не заполняется отработанными газами, поскольку плоскопараллельная боковая стенка 27 распределителя-стабилизатора 25 и аналогичная боковая стенка 28 корпуса цилиндра 4 выполнены в виде кольцевых поверхностей, не испытывающих воздействия центробежных сил и поэтому не изнашиваются. Кроме того, скольжение этих стенок (28 и 27) с задним первоначальным контактом дополнительно гарантируется ограничителями 29, жестко установленными на корпусе цилиндра 4. Эти ограничители 29 вместе с контактирующими с ним кольцевыми кромками распределителей-стабилизаторов 25, 26 предотвращают возможное в результате длительной эксплуатации появление боковых биений корпуса цилиндра 4 при значительных износах и люфтах в опорах 2 и 3 корпуса цилиндра 4 на статоре 1 (фиг. 1). Помимо изложенного эти ограничители 29 препятствуют выходу частиц выхлопных газов в кольцевую полость статора 1. Следует также подчеркнуть, что если в эту кольцевую полость статора 1 каким-либо образом все же попадут отработанные газы, то эти газы тотчас будут принудительно удалены оттуда в атмосферу через окна 33 в статоре 1 посредством ребер 31 охлаждения вращающегося корпуса цилиндра 4, так как эти ребра 31 будут функционировать как лопасти центробежного вентилятора. Из изложенного следует, что чем более высокие обороты будут иметь двигатель, тем лучше он будет охлаждаться. Потребное рациональное количество воздуха для охлаждения двигателя при разных климатических условиях эксплуатации можно регулировать прикрытием или открытием окон 32 и 33 либо уменьшением их проходного сечения.

Преимущество технического предложения состоит также в том, что вся масса свежего заряда при выпуске отработанных газов (продувке - наполнении) остается в надпоршневых камерах 17 крайних полостей 14 и 15 цилиндра. Действительно, благодаря рациональному выполнению и размещению перепускных окон 23 и 24 и правильному выбору углов и других углов наклона верхних внутренних стенок этих окон (фиг. 1, 5), поток свежего заряда в надпоршневых камерах 17 при их продувке - наполнении (фиг. 9) получает вращательное вихревое движение, при котором векторы относительных скоростей частиц свежего заряда перпендикулярны векторам скоростей частиц остатков отработанных газов, уходящих в выпускной канал 22.

Частицы свежего заряда, вращаясь в надпоршневых камерах 17, заполняют их, начиная со стороны стенки цилиндра, расположенной над выпускными окнами 19. Чем более высокие обороты будет иметь двигатель, тем с большей скоростью будут вращаться частицы свежего заряда в надпоршневых камерах 17, тем полнее будет очистка этих камер от отработанных газов и тем меньше количество частиц свежего заряда будет уходить в выпускные окна 21 вслед за отработанными газами.

Положительными качествами обладает и схема расположения опор 10 и 11 коленвала 9 (фиг. 1). Действительно, при симметричном расположении опор 10 и 11 проще, технологичнее и дешевле можно изготовлять коленвал, при этом последний будет иметь минимальную массу и лучшую приспособленность к вращению при высоких оборотах. При несимметричном расположении опор коленвала прототипа сложнее сбалансировать сам вал при высоких оборотах, так как вследствие появления биений возникают центробежные силы, а этот недостаток можно устранить лишь за счет повышенной жесткости, а значит и избыточной массы коленвала.

Кроме того, в заявленном двигателе передаточный механизм 12 удален от камер 17 сгорания на достаточное расстояние, исключающее влияние тепловых деформаций и зазоров на работоспособность этого механизма при любых оборотах коленвала. Положительным качеством предложения является наличие съемной ступицы 34 корпуса цилиндра 4 со стороны передаточного механизма 12, так как в месте сопряжения этой ступицы 34 с корпусом цилиндра 4 устанавливаются теплоизолирующие прокладки (не показаны). Следовательно, рациональная конструкция опор коленвала 10 и 11 и корпуса цилиндра 2 и 3 в техническом предложении обеспечивает надежную работу коленвала и передаточного механизма при любых оборотах двигателя.

Описание работы двигателя и отличие его от прототипа позволяет заключить, что предложенный ротативный двигатель будет функционировать при различных, в том числе и форсированных, оборотах коленвала. Причем обеспечиваются исключительная экономичность, высокая надежность и наименьшая масса при наибольших мощностях, развиваемых за счет повышения оборотов коленвала при сохранении имеющейся массы.

Что касается системы смазки, питания, пуска, воспламенения сжатого заряда, то все эти системы могут быть заимствованы у существующих прогрессивных типов двигателей внутреннего сгорания, а сам заявляемый двигатель путем комбинирования из секций может быть выполнен многоцилиндровым и работать на различных видах топлива. При небольших общеизвестных изменениях системы газораспределения двигатель может работать по четырехтактному циклу.

Предусматривается эксплуатация двигателя на транспортных средствах, в стационарных силовых установках и преимущественно в моторном инструменте.

Кроме того, для повышения надежности работы двигателя, в частности системы выпуска отработанных паров, распределитель-стабилизатор снабжен расположенными в его внутренней полости и пересекающих его трубками воздушного охлаждения, входные концы которых сообщаются с внутренними полостями статора и со средой охлаждения, например, с атмосферой. Наличие этих трубок уменьшает шумовой эффект, возникающий при выходе отработанных газов, и повышает жесткость этого распределителя-стабилизатора.

Формула изобретения

1. Ротативный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор, размещенный в последнем на опорах по меньшей мере один корпус цилиндра с двумя оппозитно расположенными поршнями, закрепленными на общем штоке, смонтированном на кривошипе коленвала, установленного на опорах статора и кинематически связанного через передаточный механизм с корпусом цилиндра, ось вращения которого смещена от оси вращения коленвала на радиус кривошипа, причем крайние внутренние полости цилиндра имеют надпоршневые и подпоршневые камеры, последние из которых сообщаются через впускные окна с впускным каналом, а надпоршневые - через соответствующие окна - с выпускным каналом и каждая крайняя полость цилиндра имеет выполненные по его образующим относительно оси вращения перепускные окна, сообщающие подпоршневые камеры с надпоршневыми, отличающийся тем, что внутренняя полость статора снабжена противоположно расположенными относительно оси вращения коленвала распределителями-стабилизаторами с обращенными друг к другу плоскопараллельными стенками, взаимодействующими с аналогичными боковыми стенками корпуса цилиндра, при этом каждый распределитель в центральной части имеет внутреннюю полость для размещения опор корпуса цилиндра и статора, причем в одном из распределителей расположен выпускной канал, а в другом - впускной канал, каждый из которых выполнен по кольцу или части его, а перепускные окна в каждой крайней полости цилиндра расположены по обе стороны относительно его впускных и выпускных окон.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что перепускные окна в каждой крайней полости цилиндра, противоположно расположенные относительно поршня, имеют верхние внутренние стенки, выполненные под разными углами у продольной оси цилиндра с ориентацией вершин упомянутых углов к продольной оси цилиндра со стороны его головок.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность корпуса цилиндра снабжена ребрами, а статор имеет выполненные в его корпусе окна, сообщающие его внутреннюю полость с рабочей средой охлаждения, например, с атмосферой.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что опоры коленвала расположены в статоре симметрично относительно продольной оси цилиндра, корпус которого со стороны передаточного механизма снабжен ступицей, опирающейся на статор с внутренней и наружной ее сторон.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что статор, корпус цилиндра, шток выполнены составными.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки корпуса цилиндра и взаимодействующие с ними стенки распределителей по меньшей мере стенки распределителя с впускным каналом имеют кольцевые выступы и впадины.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что распределители-стабилизаторы по меньшей мере с выпускным каналом снабжены кольцевой впадиной или группой их, концентричных друг другу и параллельно смещенных в направлении оси коленвала и с ориентацией их диаметральных плоскостей преимущественно перпендикулярно оси вала, а корпус цилиндра со стороны упомянутого распределителя снабжен взаимодействующим с его впадиной или группой их кольцевым ограничителем или группой их.

8. Двигатель по пп.1 и 7, отличающийся тем, что диаметры кольцевых впадин при их групповом выполнении на распределителе-стабилизаторе, а соответственно и диаметры взаимодействующих с ними кольцевых ограничителей выполнены различными, уменьшающимися в направлении от взаимодействующих между собой стенок распределителя и корпуса цилиндра.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выпускной канал распределителя-стабилизатора снабжен расположенными в полости канала трубками, полости которых сообщаются с полостью статора и/или со средой охлаждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10