Роторный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель содержит корпус в виде полого диска с тороидальной полостью по периферии. Дисковый ротор размещен внутри корпуса, выполнен с максимальным поперечным сечением и снабжен кулачковыми выступами, имеющими одинаковую конфигурацию, образованную плавно изменяющимися диаметрами участков поверхности ротора. Поршни расположены в периферийных областях максимального поперечного сечения ротора. Уплотняющие задвижки установлены с диаметрально противоположных сторон корпуса с возможностью выдвижения под действием пружин для создания временных камер сгорания и сжатия и обратного утапливания при контакте с ободом ротора. Изобретение позволяет упростить конструкцию роторного двигателя с повышением технологичности его изготовления, эксплуатационной надежности и долговечности. Предусматривается также поддержание симметричности приложения нагрузок на элементы конструкции и снижение ударных нагрузок на ротор. 2 з. п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для использования при создании мотоциклов, автомобилей, колесных и гусеничных тягачей, речных и морских катеров. Кроме того, изобретение может быть применено при проектировании водяных, топливо-маслоперекачивающих насосов, садово-огородных агрегатов, генераторных установок, компрессоров.

Из распространенных конструкций роторных двигателей (РД) наиболее перспективными считаются РД с рабочими элементами, совершающими однозначное, в частности, вращательное движение. При этом под рабочим элементом подразумевается группа деталей, воспринимающая создающееся в рабочей камере давление газов и трансформирующая его во вращательное движение.

Известны РД с уплотняющими задвижками, движущимися возвратно-поступательно в роторе (см. например, патент США N 4178902 F 02 B 53/00, 1979), либо шарнирно-закрепленными в секторных полостях ротора (см. например, авт. свид. СССР N 1255718 F 01 C 1/38, 1986).

Недостатки подобных РД связаны в одном случае со значительными знакопеременными нагрузками от масс уплотняющих задвижек, что обуславливает повышенные износы и наклепы поверхности корпуса, а также усиленную вибрацию, а в другом случае - с низкой эффективностью уплотнения мест сопряжения шарниров с корпусом и ротором, что предопределяет высокие термические и механические нагрузки этих сопряжений и, как следствие, сокращение срока службы РД.

Наиболее близким к предложенному является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус в виде полого диска, дисковый ротор, размещенный внутри корпуса, по крайней мере два поршня, расположенных в периферийных областях ротора, по крайней мере одну пару уплотняющих задвижек, установленных с диаметрально противоположных сторон корпуса с возможностью перемещения и взаимодействующих с поверхностью ротора с образованием камер сгорания и сжатия, ресивер с впускным и выпускным клапанами, впускные и выхлопные патрубки, расположенные по обе стороны от каждой из уплотняющих задвижек пары (см. заявку ФРГ N 3321461, F 02 В 53/02, 1985).

Недостатки указанного РД заключаются в сложной реализации органа управления уплотняющими задвижками и невысоких допустимых нагрузках на тонкие, ничем не подпираемые поршни. Этими недостатками в конечном счете объясняется ограниченная область практического использования известного РД.

Задача заключается в упрощении конструкции РД с повышением технологичности его изготовления, эксплуатационной надежности и долговечности, поддержание симметричности приложения нагрузок на элементы конструкции независимо от их износа, а также снижение ударных нагрузок на ротор, при воздействии на него задвижек.

Технический результат достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус в виде полого диска, дисковый ротор, размещенный внутри корпуса, по крайней мере два поршня, расположенных в периферийных областях ротора, по крайней мере, одну пару уплотняющих задвижек, установленных с диаметрально противоположных сторон корпуса с возможностью перемещения и взаимодействующих с поверхностью ротора с образованием камер сгорания и сжатия, ресивер с впускным и выпускным клапанами, впускные и выхлопные патрубки, расположенные по обе стороны от каждой из уплотняющих задвижек пары, ротор выполнен с максимальным поперечным сечением, совпадающим с поперечным сечением корпуса, и с по крайней мере, двумя кулачковыми выступами, имеющими одинаковую конфигурацию, образованную плавно изменяющимися диаметрами участков поверхности ротора, и взаимодействующими с задвижками, поршни расположены в периферийных областях максимального поперечного сечения ротора, впускные и выпускные клапаны ресивера размещены по обе стороны другой из уплотняющих задвижек пары.

Кроме того, в бензиновом исполнении он может быть снабжен клапаном прямого впрыска топлива в камеру сгорания, установленным в корпусе, и свечой зажигания.

Кроме того, в дизельном исполнении он может быть снабжен клапаном подачи топлива в камеру сгорания, выполненным в виде плунжерной пары и установленным в корпусе.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно продольный и поперечный разрезы предложенного РД двигателя внутреннего сгорания, а на фиг. 3 - 7 показаны четыре фазы протекающего в нем газодинамического цикла.

РД имеет неподвижный корпус 1 (фиг. 1) в виде полого диска с тороидальной или иной кольцевой полостью по периферии.

Внутри корпуса 1 размещен дисковый ротор 2, максимальное поперечное сечение которого совпадает с поперечным сечением корпуса 1. С диаметрально противоположных сторон корпуса 1, например, в его углублениях установлена пара уплотняющих задвижек 3, которые могут выдвигаться под действием соответствующих механизмов, в частности спиральных пружин 4, взаимодействовать с поверхностью ротора 2 и образовывать временные камеры сгорания и сжатия, а при контакте с периферийными областями (ободом) ротора 2 снова утапливаться в углубления корпуса 1. В периферийных областях максимального поперечного сечения ротора 2 расположены два поршня 5, снабженные поршневыми кольцами 6 или иными уплотнительными элементами для обеспечения компрессии в тороидальной полости. Ротор 2 выполнен с, по крайней мере, двумя кулачковообразными выступами, имеющими одинаковую конфигурацию, образованную плавно изменяющимися диаметрами участков поверхности ротора 2, предназначенных для взаимодействия с соответствующими задвижками 3. По обе стороны от одной из уплотняющих задвижек 3 (левой на фиг. 1) расположены выхлопные патрубки 7 для отвода выхлопных газов из камеры сгорания и впускные патрубки 8 для подачи атмосферного воздуха в камеру сгорания. По обе стороны другой из уплотняющих задвижек 3 (правой на фиг. 1) размещены впускные клапаны 9 и выпускные клапаны 10, обеспечивающие соответственно подачу воздуха из камеры сжатия в ресивер 11, предназначенный для аккумулирования сжатого воздуха, и вывод сжатого воздуха из ресивера 11 в камеру сгорания.

В дизельном исполнении в камеру сгорания через корпус 1 пропущен клапан 12 подачи топлива, выполненный в виде плунжерной пары. В бензиновом исполнении в камеру сгорания через корпус 1 пропущены клапан 12 подачи топлива 2 прямого впрыска и свеча 13 зажигания. Клапаны 9, 10, 12 и свеча 13 зажигания имеют привод для введения их в действие в нужный момент. Камера 14 сгорания и камера 15 сжатия обозначены на фиг. 1.

Работа данного РД внутреннего сгорания происходит следующим образом.

При вращении ротора 2 внутри корпуса 1 против часовой стрелки уплотняющие задвижки 3, опирающиеся на обод ротора 2, перемещаются в свое крайнее положение, сжимая пружины 4. При этом задвижки 3 переходят из положения, перекрывающего тороидальную полость корпуса 1, в положение, открывающее эту полость для прохождения поршней 5. После прохождения поршней 5 задвижки 3 под действием пружины 4 возвращаются в исходное положение, перекрывающее тороидальную полость корпуса 1.

В процессе вращения ротора 2 внутри корпуса 1 протекают четыре фазы газодинамического цикла (фиг. 3-7).

На фиг. 3 показана работа двигателя в момент, когда задвижки 3 находятся близко к крайнему открытому положению. Все клапаны закрыты. В камере 15 сжатия происходит всасывание атмосферного воздуха, в камере 14 сгорания - рабочий ход. В ресивере 11 находится воздух, сжатый во время предыдущего такта.

На фиг. 4 показана работа двигателя в момент, когда задвижки 3 находятся в крайнем открытом положении. Все клапаны закрыты. Выхлопной патрубок 7 открыт и в камеры 14 сгорания происходит выхлоп. В камере 15 сжатия продолжается всасывание.

На фиг. 5 показана работа двигателя, в момент когда задвижки 3 находятся близко к крайнему открытому положению. В камере 14 сгорания продолжается выхлоп. Все клапаны закрыты. В камере 15 сжатия происходит перемещение воздуха на толщину клапана.

После прохождения поршнями 5 задвижек 3, последние под действием пружин 4 перемещаются в свое крайнее закрытое положение и приходят в контакт с вращающимся ободом ротора 2. По мере вращения ротора 2 за задвижками 3 создаются новые замкнутые полости.

На фиг. 6 показана работа двигателя в момент, когда после прохождения ротором 2 выпускного клапана 10 этот клапан открывается и сжатый воздух из ресивера 11 подается в камеру 14 сгорания. Вслед за этим в камеру 14 сгорания подается топливо через клапан 12 подачи топлива в виде плунжерной пары в дизельном исполнении или прямого впрыска топлива в бензиновом исполнении. Далее (в бензиновом исполнении) подается искра на свечу 13 зажигания. В этой полости камеры 14 сгорания происходит воспламенение рабочей смеси и начинается рабочий ход. В это время в другой полости камеры 14 сгорания продолжается выхлоп. В полости камеры 15 сжатия, образовавшейся за другой задвижкой 3, начинается новое всасывание атмосферного воздуха. Таким образом, в данном двигателе протекают одновременно, но в разных полостях все фазы газодинамического цикла.

На фиг. 7 показана работа двигателя в момент, когда задвижки 3 находятся в промежуточном положении. В одной полости камеры 14 сгорания продолжается рабочий ход, в другой - выхлоп. В одной полости камеры 15 сжатия происходит всасывание атмосферного воздуха, в другой - его сжатие. При этом впускной клапан 9 подачи воздуха в ресивер 11 открыт, выпускной клапан 10 воздуха из ресивера 11 закрыт, в камере 15 сжатия происходит сжатие воздуха, который накапливается в ресивере 11.

Периодическое повторение рассмотренных газодинамических циклов обеспечивает получение на выходном валу полезной механической мощности.

В приведенной схеме за один оборот ротора 2 совершаются два полных газодинамических цикла. При ином количестве поршней 5, задвижек 3 и вспомогательных узлов 7-13 количество циклов за один оборот может быть иным.

Несколько корпусов 1 могут объединяться общим валом, образуя многорядный РД.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус в виде полого диска, дисковый ротор, размещенный внутри корпуса, по крайней мере два поршня, расположенных в периферийных областях ротора, по крайней мере одну пару уплотняющих задвижек, установленных с диаметрально противоположных сторон корпуса с возможностью перемещения и взаимодействующих с поверхностью ротора с образованием камер сгорания и сжатия, ресивер с впускным и выпускным клапанами, впускные и выхлопные патрубки, расположенные по обе стороны от каждой из уплотняющих задвижек пары, отличающийся тем, что ротор выполнен с максимальным поперечным сечением, совпадающим с поперечным сечением корпуса, и с по крайней мере двумя кулачковыми выступами, имеющими одинаковую конфигурацию, образованную плавно изменяющимися диаметрами участков поверхности ротора, и взаимодействующими с задвижками, поршни расположены в периферийных областях максимального поперечного сечения ротора, впускные и выпускные клапаны ресивера размещены по обе стороны другой из уплотняющих задвижек пары.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в бензиновом исполнении он снабжен клапаном прямого впрыска топлива в камеру сгорания, установленным в корпусе, и свечой зажигания.

3. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в дизельном исполнении он снабжен клапаном подачи топлива в камеру сгорания, выполненным в виде плунжерной пары и установленным в корпусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7