Роторный двигатель внутреннего сгорания конструкции макарова

 

Двигатель внутреннего сгорания предназначен для использования во всех видах наземного и водного транспорта, легкомоторной авиации и стационарных силовых установках. В корпусе с выпускным коллектором установлен круглый ротор, по периметру которого в радиальных пазах установлены рабочие пластины. Двигатель снабжен шестеренчатым редуктором, узлом изменения рабочего объема. В передней крышке выполнен всасывающий коллектор и установлены пластинчатые шиберы механизма регулирования продолжительности фаз всасывания и выпуска. Корпус содержит первую и вторую полусферы, при этом поверхность корпуса со стороны второй полусферы, включая выпускной коллектор, покрыта слоем катализатора, что обеспечивает оптимальный процесс горения рабочей смеси. Конструкция двигателя позволяет регулировать продолжительность тактов всасывания и рабочего хода в необходимых пределах. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель предназначен для использования во всех видах наземного и водного транспорта, легкомоторной авиации и стационарных силовых установках.

Из патентной литературы [SU, авторское свидетельство 1451304 A1, кл. F 02 B 53/00, 1989 г.] известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с выпускным коллектором, круглый ротор, по периметру которого в радиальных пазах установлены рабочие пластины, который принят в качестве ближайшего аналога для предложенного изобретения.

Задачей изобретения является: а/ использовать логичный, не противоречивый общий принцип построения и работы двигателя; б/ создать двигатель, не имеющий деталей, совершающих возвратно-поступательные движения и жестко связанных с рабочим органом; в/ для достижения высокого крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя, обеспечить управление продолжительностью тактов всасывания и рабочего хода в необходимых пределах; г/ в целях повышения экономичности при частичных нагрузках обеспечить наличие узла изменения рабочего объема двигателя в необходимых пределах, без изменения степени сжатия; д/ в целях улучшения наполнения рабочих полостей свежей топливно-воздушной смесью, использовать внутреннюю поверхность рабочего органа-ротора в качестве центробежного нагнетателя. При этом обеспечив дополнительное охлаждение и постоянную подачу свежей смазки, содержащейся в топливе, к подшипниковому узлу, ротору и рабочим пластинам.

е/ для обеспечения оптимального процесса горения рабочей смеси и соответственно снижения токсичности отработанных газов, обеспечить необходимую траекторию расширения продуктов сгорания во время тактов рабочего хода и выпуска, проходящих в активной среде катализатора.

ж/ в целях повышения коэффициента полезного действия и соотношения мощность/масса, обеспечить четыре полных такта - всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск, за один оборот вала при минимальных габаритах и массе двигателя; з/ обеспечить максимальную простоту конструкции при небольшом количестве деталей, а также простоту изготовления и сборки двигателя; Технический результат достигается за счет того, что предложенный роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с выпускным коллектором, круглый ротор, по периметру которого в радиальных пазах установлены рабочие пластины, при этом двигатель снабжен шестеренчатым редуктором, узлом изменения рабочего объема и передней крышкой, в которой выполнен всасывающий коллектор и установлены пластинчатые шиберы механизма регулирования продолжительности фаз всасывания и выпуска. Корпус двигателя содержит первую и вторую полусферы, при этом поверхность корпуса со стороны второй полусферы, включая выпускной коллектор, покрыта слоем катализатора. В полости ротора установлена направляющая втулка узла изменения рабочего объема двигателя, которая сообщена с отверстием для подачи рабочей смеси, выполненном в крышке, а полость ротора сообщена с всасывающим коллектором, который в свою очередь сообщен с первой полусферой корпуса.

В рассматриваемой конструкции отсутствуют кривошипно-шатунный поршневой и газораспределительный механизм. А рабочий орган, ротор, имеет круглую форму и равномерно вращается вокруг оси, благодаря чему достигается хорошая уравновешенность всего агрегата. Причем крутящий момент на валу создается путем приложения энергии расширяющихся газов к рабочим пластинам, расположенным в радиальных пазах по периметру ротора. За счет чего прикладываемая сила направлена по касательной к ротору, а плечо приложения силы постоянно превышает его радиус. При этом внутренняя поверхность ротора используется в качестве центробежного нагнетателя рабочей смеси, за счет чего достигается избыточное давление на всасывании, а также дополнительное охлаждение и подача смазки к рабочим пластинам, ротору и его подшипниковому узлу.

Благодаря отсутствию в двигателе газораспределительного механизма, использованию ротора в качестве центробежного нагнетателя, и постоянного нахождения в фазе всасывания нескольких рабочих полостей, полностью исключена вредная пульсация потока топливной смеси. А в связи с избыточностью давления на всасывании, возможности регулирования продолжительности этого такта в необходимых пределах, получаем стабильно высокие показатели наполнения, а следовательно, крутящего момента и мощности во всем диапазоне рабочих оборотов двигателя.

Внешний вид, внутреннее устройство и принцип действия двигателя представлены на следующих чертежах.

Фиг. 1. Внутреннее устройство двигателя. Разрез по плоскости разъема корпус - передняя крышка.

Фиг. 2. Двигатель, вид спереди.

Фиг. 3. Принцип действия узла изменения рабочего объема двигателя.

Фиг. 4. Внутреннее устройство двигателя, вид сбоку.

Фиг. 5. Шибер, регулирующий такт всасывания.

Фиг. 6. Шибер, регулирующий такт выпуска.

Фиг. 7. Передняя крышка двигателя.

Рассматриваемый двигатель состоит из трех основных частей.

1. Корпуса /1/ с рабочей полостью и выпускным коллектором /2/.

2. Ротора /3/ с рабочими пластинами /4/.

3. Передней крышки двигателя /5/, в которой выполнен всасывающий коллектор /6/, и установлены пластинчатые шиберы механизма регулирования продолжительности фаз всасывания /7/ и выпуска /8/. Шиберы, обеспечивающие изменение продолжительности тактов всасывания и выпуска, представляют собой пластины определенной формы, закрепленные на осях /7.1 и 8.1/. Шиберы /7/ и /8/ через свои оси /7.1/ и /8.1/ приводятся в действие управляющими механизмами, анализирующими частоту вращения двигателя, нагрузку и другие параметры. Шибер /7/ расположен в специальной полости на внутренней поверхности передней крышки /5/, что позволяет ему находиться на плоскости разъема передняя крышка - корпус, фактически между боковой поверхностью ротора и передней крышкой. Перемещаясь относительно центра оси /7.1/ /совершает колебательное движение с небольшой амплитудой/, шибер изменяет рабочую длину всасывающего коллектора /6/ в его конечной части, регулируя тем самым угол продолжительности такта всасывания. Шибер /8/ имеет похожую конструкцию, аналогичный принцип размещения и действия. Его отличие заключается в том, что пластина имеет Г-образную форму /это связано с тем, что выпускной коллектор /2/ расположен в вертикальной плоскости верхней части корпуса /1//. Причем его верхняя отогнутая под углом 90^o рабочая часть имеет кривизну радиуса R1, измеряемую от центра оси /8.1/ и равную кривизне внутренней поверхности корпуса /1/ в том месте, где начинается выпускной коллектор /2/, начальную кромку которого образует и своим перемещением регулирует шибер /8/.

Узел изменения рабочего объема двигателя включает детали /9, 10, 11/.

Корпус является основной и самой крупной деталью двигателя. Его овальная в плане форма обусловлена внутренней рабочей полостью образованной двумя полусферами, которые формируют рабочие такты двигателя.

Форма полусфер может быть различной и зависит от характеристик, которые необходимо получить от каждого конкретного двигателя.

Вторая полусфера, в которой проходят такты рабочего хода и выпуска, плавно переходит в выпускной коллектор, также являющийся частью корпуса.

Всасывание рабочей смеси происходит в первой полусфере и осуществляется через всасывающий коллектор, выполненный в передней крышке двигателя. В передней части корпуса двигателя - в рабочей полости располагается рабочий орган-ротор с радиально расположенными рабочими пластинами. В задней части корпуса за ротором расположен одноступенчатый шестеренчатый редуктор - шестерни /12, 15/, позволяющий во время работы непрерывно передавать основной поток крутящего момента на выходной вал двигателя /14/ независимо от вертикальных перемещений ротора и оси ротора /13/ при изменении рабочего объема двигателя. При этом рабочий объем двигателя увеличивается, если ведущая шестерня /12/, расположенная на оси ротора /13/, перемещается по часовой стрелке по траектории с радиусом R, равным расстоянию между осью ротора и выходным валом двигателя /14/, обкатывая ведомую шестерню /15/, расположенную на выходном валу двигателя по диаметру ее делительной окружности /фиг.3/. Соответствующую траекторию перемещения задает узел изменения рабочего объема двигателя, боковые сопредельные стороны втулок /9 и 10/ которого обработаны с кривизной соответствующих радиусов.

Это же устройство, при соответствующем подборе диаметров шестерен редуктора, выдерживает постоянной степень сжатия при изменении рабочего объема двигателя. Так как при перемещении оси ведущей шестерни по часовой стрелке от положения, соответствующего минимальному рабочему объему / при совпадении горизонтальных осей шестерен /12/ и /15/ /, к максимальному, по траектории радиуса R, она совершает не только вертикальное, но и горизонтальное перемещение, увеличивая тем самым объем камеры сгорания в момент максимального сжатия.

Основной рабочий орган двигателя - ротор имеет круглую форму и равномерно вращается вокруг своей оси, за счет чего достигается хорошая уравновешенность двигателя. При этом ротор, имеющий относительно большой диаметр, используется не только как рабочий орган и центробежный нагнетатель, а частично выполняет функцию маховика.

Всасывание, сжатие рабочей смеси, рабочий ход и выпуск отработанных газов происходит за счет обкатывания рабочими пластинами, радиально расположенными в роторе, внутренних поверхностей полусфер рабочей полости корпуса.

В первой полусфере протекают такты всасывания и сжатия рабочей смеси. При этом топливная смесь подается через отверстие в передней крышке /5.1/ и попадает в полость направляющей втулки /11/, откуда отсасывается вращающимся ротором, попутно охлаждая и смазывая подшипниковый узел, рабочие пластины и сам ротор. И только после этого под избыточным давлением нагнетается во всасывающий коллектор.

После прохождения сжатой рабочей смеси мимо свечей зажигания /16/ происходит ее воспламенение, а дальше во второй полусфере - расширение, рабочий ход и выпуск. Для обеспечения лучшего воспламенения сжатой рабочей смеси, а также оптимального протекания процесса горения и получения минимальных показателей токсичности выхлопных газов, вся поверхность второй полусферы, включая выпускной коллектор, покрыта слоем катализатора. Таким образом, весь процесс горения протекает в активной среде катализатора. При этом энергия расширяющихся газов воздействует на рабочую пластину, создавая через нее крутящий момент, прикладываемый к ротору. После прохождения пластиной начальной кромки выпускного коллектора, образованной специальным шибером, регулирующим начало такта выпуска, отработанные газы начинают прорываться через коллектор в зону выхлопа, продолжая таким образом воздействовать на рабочую пластину до конца такта выпуска, но уже по принципу газотурбинного двигателя.

Передняя крышка является наиболее сложной и вместе с тем несущей деталью двигателя. В ней расположены отверстие для впуска, всасывающий коллектор, шиберы механизма регулирования продолжительности тактов всасывания и выпуска, а также узел изменения рабочего объема двигателя. Передняя часть оси ротора /13/, расположенная в подшипниковом узле, выполняет функции несущего элемента ротора и передает крутящий момент лишь для привода вспомогательных агрегатов /помпа, генератор, закрепленный снаружи на передней крышке/ и вращается в двух подшипниках качения /17/ расположенных в подвижной втулке /9/ узла изменения рабочего объема двигателя. Подвижная втулка /9/ в свою очередь с помощью двух эксцентриков /10/ вместе с подшипниковым узлом, валом и ротором может перемещаться в определенных пределах внутри направляющей втулки /11/, тем самым изменяя в заданных пределах объем, заполняемый свежей топливной смесью /изменение рабочего объема двигателя/. Вместе с узлом изменения рабочего объема двигателя вся конструкция образует один общий и компактный блок: передняя крышка - ротор. Для обеспечения необходимой компрессии, а также разделения рабочих сегментов ротора, находящихся в различных рабочих тактах, необходимо надежное уплотнение между ними, обеспечиваемое рабочими пластинами специальной формы.

Основное усилие уплотнения создается за счет центробежной силы, действующей на пластины и возникающей при вращении ротора с рабочими оборотами. При вращении ротора со скоростью, не обеспечивающей создание необходимой центробежной силы, например при запуске двигателя, необходимое усилие уплотнения создается плоской спиральной пружиной, повторяющей траекторию движения рабочих пластин и вставляемой внутрь ротора. При этом для предотвращения от проворачивания один конец пружины закреплен за переднюю крышку корпуса, а второй свободен. Благодаря чему пружина постоянно находится в рабочем состоянии и, постепенно раздвигаясь, компенсирует износ рабочих пластин.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с выпускным коллектором, круглый ротор, по периметру которого в радиальных пазах установлены рабочие пластины, отличающийся тем, что он снабжен шестеренчатым редуктором, узлом изменения рабочего объема и передней крышкой, в которой выполнен всасывающий коллектор и установлены пластинчатые шиберы механизма регулирования продолжительности фаз всасывания и выпуска.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус содержит первую и вторую полусферы, при этом поверхность корпуса со стороны второй полусферы, включая выпускной коллектор, покрыта слоем катализатора.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в полости ротора установлена направляющая втулка узла изменения рабочего объема двигателя, которая сообщена с отверстием для подачи рабочей смеси, выполненном в крышке, а полость ротора сообщена с всасывающим коллектором, который, в свою очередь, сообщен с первой полусферой корпуса.

РИСУНКИ

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