Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с устройством автоматического регулирования режимов и камерами сгорания в поршнях

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано на транспорте. Двигатель содержит корпус с двумя пересекающимися кольцевыми цилиндрами, в которых размещены поршни, выходной вал, расположенный в полости корпуса и имеющий центральную сферическую часть, причем в каждом цилиндре размещены два поршня, на центральной сферической части выходного вала выполнены пазы под углом друг к другу и к оси вала, поршни соединены с выходным валом через узлы, каждый из которых включает секторную часть, расположенную с возможностью перемещения в соответствующем пазу на сферической поверхности выходного вала, и палец, размещенный в отверстии поршня. Двигатель отличается тем, что в хвостовых частях поршней размещены камеры сгорания, состоящие из цилиндрических полостей с отверстиями на внешних и торцевых поверхностях поршней, а воздушные полости четырех пазов выходного вала соединены между собой каналами с калиброванными отверстиями. При постоянной цикловой подаче горючего в зависимости от величины нагрузки в горючей смеси автоматически изменяется коэффициент избытка воздуха. При уменьшении нагрузки смесь обедняется, а при увеличении - обогащается. Изобретение позволяет повысить надежность и мощность двигателя, снизить удельный расход горючего и токсичность выхлопных газов. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспорте.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с двумя пересекающимися между собой кольцевыми цилиндрами и размещенными в них двумя поршнями, две диаметрально расположенные камеры сгорания, окна впуска и выпуска, выполненные в стенках цилиндров, выходной вал, соединенный с поршнями с помощью шарниров (SU A1 1772375). Выходной вал выполнен с центральной сферической частью и размещен в соответствующей по форме полости корпуса. Каждый из шарниров включает цилиндрический палец и диск с отверстием, а в сферической части выходного вала выполнен сквозной паз и перпендикулярное пазу отверстие для крепления дисков.

К недостаткам двигателя можно отнести существенную несбалансированность его механизма, трудность обеспечения газо-плотного контакта поршней в период взаимодействия друг с другом из-за разных скоростей их движений (скорость " убегающего " поршня больше скорости "догоняющего" поршня).

Наиболее близким к настоящему изобретению является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (патент РФ N 2101518), содержащий корпус с двумя пересекающимися кольцевыми цилиндрами, в которых размещены поршни, выходной вал, расположенный в полости корпуса и имеющий центральную сферическую часть, в каждом цилиндре размещены два поршня, на центральной сферической части выходного вала выполнены пазы под углом друг к другу и к оси вала, а поршни соединены с выходным валом через узлы, каждый из которых включает секторную часть, расположенную с возможностью перемещения в соответствующем пазу на сферической поверхности выходного вала, и палец, размещенный в отверстии поршня, а камеры сгорания размещены в пазах.

К недостаткам данного двигателя можно отнести следующее: 1. Камеры сгорания размещены в полости вала, конфигурация их далека от оптимальной (сферической или цилиндрической), они сильно разветвлены, что делает их неэффективными, подверженными детонационному горению. Кроме того, такое размещение камер сгорания затрудняет эффективное охлаждение их, что может вызвать перегрев вала и, как следствие, выход из строя двигателя.

2. Снижение мощности за счет использования части рабочего тела для компенсации центробежных сил поршней.

3. Непрофилированные торцевые скосы поршней делают двигатель не работоспособным, так как с началом рабочего хода в процессе его движения сопряженных поршней в пределах ~37 угловых единиц различны: "убегающий" поршень движется равномерно замедленно, "догоняющий" - равномерно ускоренно, и хотя колебания скоростей поршней небольшие, тем не менее в результате один поршень натыкается на другой, и механизм заклинивает.

4. При использовании в двигателе внешнего смесеобразования на максимальных оборотах вала появляется опасность попадания части горючей смеси в выхлопное отверстие в моменты одновременного открытия одного из выхлопных и одного из всасывающих отверстий и, наоборот, на малых и средних оборотах - опасность попадания отработавших газов в впускную полость, так как на этих режимах давление выхлопа больше давления горючей смеси в впускной полости.

Целью изобретения являются упрощение конструкции, увеличение надежности и мощности, снижение удельного расхода горючего и токсичных компонентов в выхлопных газах.

Поставленная задача достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с двумя пересекающимися кольцевыми цилиндрами, в которых размещены поршни, выходной вал, расположенный в полости корпуса и имеющий центральную сферическую часть, причем в каждом цилиндре размещены два поршня, на центральной сферической части выходного вала выполнены пазы под углом друг к другу и к оси вала, а поршни соединены с выходным валом через узлы, каждый из которых включает секторную часть, расположенную с возможностью перемещения в соответствующем пазу на сферической поверхности выходного вала, и палец, размещенный в отверстии поршня, согласно изобретению в хвостовых частях поршней размещены камеры сгорания, состоящие из цилиндрических полостей с отверстиями на внешних и торцевых поверхностях поршней, а воздушные полости четырех пазов выходного вала соединены между собой каналами с калиброванными отверстиями.

Предпочтительным является выполнение двигателя, при котором торцевые поверхности поршней выполнены профилированными в соответствии с законом движения поршней при их попарном сопряжении. В острых углах торцевых частей поршней могут быть установлены пластинчатые уплотнения, а на входе всасывающего патрубка - нагнетатель. Окна впуска и выпуска могут быть выполнены общими для двух пересекающихся кольцевых полостей и размещены в противоположных острых углах пересечения боковых поверхностей этих полостей.

Для увеличения экономичности двигателя применен непосредственный впрыск горючего в камеру сгорания.

Для понимания изобретения ниже приводится пример выполнения двигателя с камерами сгорания в поршнях с ссылкой на чертежи, где: фиг. 1 - внешний вид двигателя, на фиг.2 - механизм двигателя в изометрии, на фиг.3, 4, 5 и 6 - схематичные изображения двигателя, поясняющие принцип его работы.

Двигатель содержит разъемный корпус 1 (фиг. 1), в корпусе выполнены две пересекающиеся между собой кольцевые полости 2,3, каждая из которых имеет в поперечном сечении форму усеченного конуса, основания которого представляют сферические поверхности. Нагнетатель 4 закреплен на всасывающем патрубке 5, отработавшие газы удаляются через выхлопной патрубок 6, окна впуска 7 и выпуска 8 общие для пересекающихся кольцевых полостей 2 и 3. Внутри корпуса 1 установлен выходной вал 9, имеющий центральную сферическую поверхность 10 (фиг.2) и два противоположных цилиндрических участка 11 и 12.

В кольцевых пересекающихся полостях размещены четыре дугообразных поршня 13 с профилем поперечного сечения, соответствующим профилю поперечного сечения кольцевых полостей. Поршни 13 имеют боковые 14, торцевые профилированные 15 и внешние сферические 16 поверхности. На поверхностях 16 выполнены продольные направляющие выступы 17, в поршнях выполнены отверстия 18 под пальцы 19 узлов 20 для передачи крутящего момента от поршней к выходному валу, пальцы 19 соединены с секторными частями 21.

В хвостовых частях 22 поршней размещены камеры сгорания 23, имеющие два отверстия: одно отверстие 24 на сферических поверхностях 16, другое - 25 в виде щели на профилированных поверхностях 15, в вершинах острых углов профилированных поверхностей 15 установлены пластинчатые уплотнения 26 и 27.

На сферической поверхности 10 выходного вала выполнены четыре наклонных паза 28 к продольной оси выходного вала и под углом друг к другу. В пазах размещены секторные части 21 узлов 20, каждый из пазов 28 разделен секторной частью 21 на две полости G и K, одни из которых (G) представляют собой воздушную полость и соединены между собой каналами 29 с калиброванными отверстиями 30, другие (K)-масляную полость.

На корпусе 1 размещены две свечи зажигания 31 (фиг. 1) и две форсунки впрыска горючего 32.

Устройство работает следующим образом.

При взаимодействии четырех вращающихся поршней 13 (фиг.2) внутри кольцевых полостей 2 и 3 (фиг. 1) образуется шесть полостей A, B, C, D, E, F (фиг. 3, 4, 5, 6), изменяющихся по своему объему. В каждой из полостей происходит какой-либо такт работы двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов.

Процесс впуска заряда воздуха в полость всасывания B заканчивается перекрытием поршнем 13 отверстия 7 (фиг. 1) входного патрубка 5. За этим следует такт сжатия заряда. Одновременно с тактом сжатия часть заряда поступает через калиброванное отверстие 30 (фиг.2) полости G и канал 29 внутрь сферической поверхности 10 выходного вала 9, где охлаждает его и затем поступает через другой канал 29 и калиброванное отверстие 30 полости G диаметрально противоположного поршня 13 в впускную полость B последующего рабочего хода. Таким образом, наполнение впускной полости зарядом увеличивается (происходит "внутренний наддув"), а температура заряда возрастает.

Количество заряда, поступившего через калиброванные отверстия, зависит от частоты вращения выходного вала 9: чем выше частота вращения вала, тем меньшая часть заряда поступит через калиброванные отверстия 30 в впускную полость A. Таким образом осуществляется регулирование компрессии в полости сжатия и наддува в впускной полости A, заметно улучшающее характеристики пуска и холостого хода, а в области малых и средних частот вала, значительно снижающего удельный расход горючего и токсичность отработавших газов.

В момент касания поршней 13 друг с другом в полость C с помощью форсунки 32 впрыскивается определенная доза горючего, она смешивается с зарядом и под действием его высокой температуры в результате сжатия испаряется.

Впрыск позволяет в значительной степени оптимизировать процесс смесеобразования, что способствует повышению экономичности и снижению токсичности отработавших газов. Кроме того, использование впрыска горючего в полость сжатия В исключило возможность смешения горючей смеси с отработавшими газами в моменты одновременного открытия впускного 7 и выпускного 8 окон, как это имело бы место при карбюраторной подаче горючего. Для снижения вероятности попадания отработавших газов в впускную полость В окна впуска 7 и выпуска 8 разнесены благодаря размещению их на острых кромках пересечения боковых стенок кольцевых полостей 2 и 3.

Как только носик 33 поршня перекроет отверстие 25 камеры сгорания 23, горючая смесь поступит в камеру сгорания 23, где произойдет дальнейшее повышение давления, температуры и гомогенизации горючей смеси.

Во временном промежутке между касанием поршней 13 и перекрытием отверстия 25 небольшая часть заряда, величина которой зависит от частоты вращения выходного вала, поступит в полость сжатия B последующего рабочего хода и обеспечит повышение энергии заряда в полости сжатия.

Данный процесс смесеобразования обеспечивает режим саморегулирования оптимального соотношения заряда и горючего при постоянной цикловой подачи горючего. Например, снижение нагрузки вызовет увеличение частоты вращения вала и, как следствие, увеличение заряда, поступающего в камеру сгорания, за счет уменьшения поступления части заряда как в полость входную, так и в полость сжатия; это приведет к обеднению горючей смеси и, следовательно, снижению мощности двигателя, и, наоборот, увеличение нагрузки снизит частоту вращения вала и уменьшит заряд, поступающий в камеру сгорания и способствующий обогащению смеси и увеличению мощности двигателя.

При дальнейшем движении в момент совмещения отверстия 24 камеры сгорания 23, расположенного на внешней сфере поршня 13 с гнездом корпуса 1 двигателя, в котором установлена свеча зажигания 31, происходит поджег горючей смеси и начало рабочего хода.

Профилированные поверхности 15 поршней 13 и пластинчатые уплотнения 26 и 27 при взаимодействии с сопряженными поверхностями минимизируют зазоры за счет приработки сопряженных поверхностей в процессе работы двигателя. Нагнетатель 4, установленный на входном патрубке 5, обеспечивает наддув входной полости и продувку камер сгорания 23; он очищает нижнюю часть корпуса 1 от отработавших газов, тем самым изолируя их от впускной полости, и, смешивая часть поступающего воздуха с отработавшими газами, снижает их температуру и токсичность.

Формула изобретения

1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с двумя пересекающимися кольцевыми цилиндрами, в которых размещены поршни, выходной вал, расположенный в полости корпуса и имеющий центральную сферическую часть, в каждом цилиндре размещены два поршня, на центральной сферической части выходного вала выполнены пазы под углом друг к другу и к оси вала, а поршни соединены с выходным валом через узлы, каждый из которых включает секторную часть, расположенную с возможностью перемещения в соответствующем пазу на сферической поверхности выходного вала, и палец, размещенный в отверстии поршня, отличающийся тем, что в хвостовых частях поршней размещены камеры сгорания, состоящие из цилиндрических полостей с отверстиями на внешних и торцевых поверхностях поршней, а воздушные полости четырех пазов выходного вала соединены между собой каналами с калиброванными отверстиями.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности поршней профилированы в соответствии с законом движения поршней при их попарном сопряжении.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в острых углах торцевых частей поршней установлены пластинчатые уплотнения.

4. Двигатель по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что на входе всасывающего патрубка установлен нагнетатель.

5. Двигатель по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что окна впуска и выпуска - общие для двух пересекающихся кольцевых полостей и размещены в противоположных острых углах пересечения боковых поверхностей этих полостей.

РИСУНКИ

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