Роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя при упрощении его конструкции. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит статор, оборудованный с подвижной пластиной, торцовые крышки, установленный в статоре ротор с кулачком и камеру сгорания с механизмом газораспределения, работающую в пульсирующем режиме. При этом компрессионный и двигательный контуры расположены в одном статоре. Согласно изобретению камера сгорания изменяет внутренний объем посредством поршня, а привод поршня осуществляется рычагом с изменяемой точкой опоры. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Применяемые в автостроении двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательным ходом поршня имеют недостаток, заключающийся в том, что в ходе работы двигателя происходит постоянное изменение по направлению и величине сил движущихся масс, что ведет к увеличению массы двигателя за счет упрочнения корпуса, снижает механический КПД и т.д. Роторные двигатели в большинстве своем из-за сложности конструкции не могут пока конкурировать с возвратно-поступательными. Исключением является роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Но наряду с достоинствами и он не лишен недостатков, главными из которых являются пониженный ресурс по причине высокого трения ротора о статор, трудность отвода тепла от трехкулачкового ротора, высокая точность обработки геометрически сложной внутренней поверхности статора, отсутствие возможности изменения неоптимальной формы камеры сгорания, наличие уравновешивающих противовесов, большой расход топлива, несоответствие экологическим нормам.

Известен роторно-пластинчатый двигатель, выбранный в качестве прототипа, который содержит, по меньшей мере, одну секцию, включающую в себя корпус, статор, оборудованный, по меньшей мере, одной подвижной пластиной, торцовые крышки, ротор, оборудованный, по меньшей мере, одним кулачком, и камеру сгорания с механизмом газораспределения, работающую в пульсирующем режиме, при этом компрессионный и двигательный контуры расположены в одном статоре (GB 2348672, опуб. 11.10.2000).

Недостатками указанного двигателя являются малая эффективность его работы.

Технической задачей является упрощение конструкции двигателя, уменьшение неуравновешенности и увеличение механического КПД.

Поставленная задача заключается в том, что роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, одну секцию, включающую в себя корпус, статор, торцовые крышки, ротор, камеру сгорания с механизмом газораспределения, работающую в пульсирующем режиме. Статор оборудован, по меньшей мере, одной подвижной пластиной, ротор оборудован, по меньшей мере, одним кулачком, компрессионный и двигательный контуры расположены в одном статоре. Пластины расположены в статоре радиально или под углом к радиусу. Статор имеет круглую форму профиля. Камера сгорания изменяет внутренний объем посредством поршня. Привод поршня камеры сгорания осуществляется рычагом с изменяемой точкой опоры. Компрессионный и двигательный контуры соединены регулируемым перепускным клапаном. Торцевые крышки, рубашка охлаждения торцевых крышек и полый ротор могут быть выполнены как единое целое. Камера сгорания оборудована в статоре между двух подвижных пластин. Седло клапана оборудовано на мембране.

На фиг. 1 изображена секция роторно-пластинчатого двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1.

На фиг.3 изображена секция упрощенного двигателя однократного действия.

На фиг.4 изображена секция двигателя двухкратного действия.

На фиг.5 изображена камера сгорания, оборудованная между пластинами.

На фиг.6 изображена камера сгорания с механизмами управления.

На фиг.7 изображен клапан.

На фиг.8 изображен разрез по В-В фиг.4.

Роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания, одна секция которого содержит ротор 9 с кулачками 1, 13, заключенный между торцевыми крышками 27, и статор 10, оборудованный всасывающим 16 и выхлопным 14 коллекторами и подвижными пластинами 3, 15, камеры сгорания 7, 18 с воздушными 2 и выпускными 6 окнами, корпус 12.

Принцип работы роторно-пластинчатого двигателя внутреннего сгорания однократного (количество рабочих циклов за один оборот ротора) действия состоит в том, что после раскрутки ротора 9 (фиг.1) по направлению стрелки "а" посредством стартера (не показан) подвижные пластины 3, 15, которые поджимаются к ротору 9 пружинами 4 (или давлением какой-либо среды), разделяют внутреннее пространство статора на два контура - компрессионный (левая часть) и двигательный (правая часть). Внутренний объем статора, заключенный между подвижной пластиной 3 и кулачком 1, - компрессионный контур, в котором находится сжимаемый воздух, поступающий из всасывающего коллектора 16 и вынужденный под действием кулачка 1 перетекать через воздушное окно 2 в камеру сгорания 7, в которой закрыт выпускной клапан 40. При подходе кулачка 1 к верхней подвижной пластине 3 в камере сгорания 7 происходят закрытие впускного клапана 42 (фиг.6), дожатие воздуха до необходимой степени сжатия, впрыск топлива и воспламенение рабочей смеси либо от свечи зажигания, либо от температуры сжатия. (Возможен впрыск топлива во всасывающий коллектор 16, в этом случае перепуск избыточного давления из компрессионного в двигательный контур исключается). После воспламенения выхлопные газы в объеме между подвижной пластиной 3 и кулачком 13 получают возможность выйти из камеры сгорания 7 в двигательный контур через открывшийся клапан 40 и выпускное окно 6. Ротор 9, переместившись по инерции по часовой стрелке за выпускное окно 6 камеры сгорания 7, продолжает вращение уже под действием расширяющихся выхлопных газов, вырывающихся из камеры сгорания 7 через выпускное окно 6, и при своем продолжающемся вращении кулачок 13, находящийся уже в компрессионном контуре (т.е. в левой части статора), загоняет воздух, находящийся в объеме перед подвижной пластиной 3 (компрессионный контур), в камеру сгорания 18, установленную параллельно камере сгорания 7, в которой повторяется процесс, аналогичный процессу в камере сгорания 7, т.к. пока происходит выпуск отработанных газов из камеры сгорания 7, впускной клапан этой камеры закрыт и сжимаемый воздух может быть вытеснен только в камеру сгорания 18. В правой части в это время выхлопные газы свободно выходят в выхлопной коллектор 14. При перемещении кулачков 1, 13 в другие (противоположные) области внутреннего объема статора 10 процесс повторяется. Таким образом обеспечивается постоянное принудительное вращение ротора 9, который в свою очередь вращает силовой вал 8. При прохождении верхней и нижней точек кулачками 1, 13 подвижные пластины 3, 15 вдавливаются в статор 10, а после преодоления этих точек кулачками прижимаются к поверхности ротора 9, тем самым отсекаются газы от проникновения в другие области статора. При превышении установленного давления в компрессионном контуре излишний воздух перепускается по каналу 5 в двигательный контур посредством управляемого перепускного клапана (не показан), отрегулированного на необходимое давление, что позволит независимо от частоты вращения ротора 9 и изменения объема камер сгорания 7, 18 иметь постоянную установленную степень сжатия в камерах сгорания. Если невозможно достичь установленного давления непосредственно в камерах сгорания, то воздух можно в них дожимать посредством поршня 37, приводимого в действие штоком регулируемой длины от кулачка 31 на силовом валу 8. Воздействие расширяющихся газов от поршня через кулачок 31 на силовой вал 8 дополнительно придаст последнему импульс движения.

Упрощенная схема двигателя однократного действия (фиг.3) содержит одну камеру сгорания 7 и ротор 9 с одним кулачком 1 и двумя подвижными пластинами 3, 15 (или одной 3). Работать такой упрощенный двигатель будет аналогично вышеописанному, за исключением того, что при своем движении по часовой стрелке ротор 9 с кулачком 1 будет засасывать воздух из всасывающего коллектора 16, а вытесняться отработанные газы будут в выхлопной коллектор 14, при этом сжатие воздуха в компрессионном контуре будет происходить за счет инерции маховика. Для получения двукратного действия (фиг.4) камеры сгорания 7, 18 располагаются диаметрально в районе подвижных пластин 3, 15, а левая и правая области статора оборудуются впускными 21, 16 и выпускными 14, 20 коллекторами, с перепускными клапанами 19, 22, 23, 26. В этом случае по ходу вращения ротора 9 перед кулачком 1 и подвижными пластинами 3, 15, к которым стремится кулачок, будет компрессионный контур, а за кулачком - двигательный контур, всего их будет два - по количеству подвижных пластин. Но количество подвижных пластин в статоре и, соответственно, камер сгорания можно увеличить, что позволит осуществить многократное действие (по количеству подвижных пластин). Для принудительной продувки нерабочих областей от возможного застаивания в них выхлопных газов возможно дооборудование ротора 9 дополнительным кулачком 13 (фиг.4), который будет только принудительно прогонять воздух от всасывающих коллекторов к выпускным в нерабочих контурах, охлаждать нагревшиеся элементы конструкции и при необходимости замедлять скорость вращения ротора, при этом механизм газораспределения не связан с этим кулачком.

Продувку областей статора можно осуществлять также от компрессора либо путем инерции истекающих газов при открывании в конце выпуска газов впускного коллектора.

Применение в роторе 9 двух (или более) симметрично расположенных кулачков значительно уменьшает неуравновешенность ротора, что создаст условия для увеличения частоты вращения и позволит снять большую мощность. Подвижные пластины 3, 15 можно изготовить более крупными, как и кулачки 1, 13, и установить в их торцах, контактирующих с ротором 9 или статором 10 антифрикционные и компрессионные устройства (ролики, пакеты пластин и т.п.).

Подвижные пластины в статоре можно устанавливать под углом к радиусу или "хордообразно", это позволит увеличить площадь подвижных пластин и в некоторых случаях увеличить площадь контакта их с ротором, что уменьшит их износ.

Статор 10 (фиг. 2) может выполняться заодно с торцевыми крышками 27, а вращаться будет ротор 9 между ними, но для уменьшения сил трения и увеличения компрессии в паре ротор - торцевая крышка ротор 9 может быть выполнен заодно с торцевыми крышками 27 и кожухом рубашки охлаждения 28 (фиг.8), заполненная охлаждающей жидкостью 11 эта конструкция будет иметь достаточную массу и будет выполнять роль маховика. Охлаждающая жидкость 11 попадает в рубашку охлаждения торцевых крышек 27 и отводится из нее по сверлениям в силовом вале 8 и далее по трубкам 29, 30. Статор охлаждается также охлаждающей жидкостью 11.

Для увеличения мощности у роторно-пластинчатых двигателей внутреннего сгорания можно разделить компрессионный и двигательный контуры по разным корпусам, но механически связанных одним силовым валом, т.е. устанавливается отдельно компрессор в виде вышеописанной конструкции (или любой другой) и отдельно пневмомотор, которым может быть турбина, роторно-пластинчатый пневмомотор или любой подходящий для этой цели, а соединяются контуры этих агрегатов посредством камер сгорания, таким образом, компрессор наддувает воздух в камеры сгорания, из которых расширяющиеся газы истекают на ротор (крыльчатку) какого-либо пневмомотора, при этом камеры сгорания могут быть постоянного горения. В этом случае для обеспечения постоянного воздействия на ротор расширяющимися газами можно установить параллельно несколько камер сгорания, работающих либо по очереди импульсно, либо одновременно с постоянным горением. Камеры сгорания своим соплом могут быть установлены по окружности ротора (турбины) по касательной к нему, либо параллельно силовому валу, ротор может оборудоваться подвижными вращающимися или неподвижными пластинами (кулачками, лопатками), установленными радиально или под углом к радиусу, при этом пластины (лопатки) ротора могут иметь угол атаки.

Камеры сгорания можно устанавливать между двумя подвижными пластинами (фиг. 5). Двигатель с такими камерами сгорания работает следующим образом. При вращении ротора 9 с кулачком 1 по стрелке "а" кулачок 1 гонит перед собой воздух, поступивший в компрессионные контуры через коллекторы 16 или 21, и при открывшихся пластинах 68 или 70 (при этом пластины 67 или 69 опущены) этот воздух попадает в цилиндры 59 или 65 и там сжимается. При подходе кулачка 1 под камеру сгорания (при перекрывании цилиндров кулачком) происходит дожатие воздуха поршнем 37 или 66 и впрыск топлива и воспламенение рабочей смеси. Ротор 9 по инерции проворачивается, приподнимает подвижную пластину 69 или 67, а подвижная пластина 68 или 70 опускается, тем самым воспламененным расширяющимся газам чтобы выйти в выхлопной коллектор 14 или 20 приходится воздействовать на кулачок 1 и проворачивать его. После прохождения подвижных пластин 15 или 3 (которые разделяют компрессионный и двигательный контуры) ротором 9 происходит выпуск газов в выхлопной коллектор 14 или 20 и сжатие воздуха. Таким образом, процесс повторяется. Привод подвижных пластин осуществляется от кулачков на силовом валу 8. Свеча зажигания и/или форсунка могут быть установлены в поршнях 37, 66. Подвижные пластины 67, 68, 69, 70 могут быть установлены радиально, как 67, 70, так и "хордообразно", как 68, 69. Возможно дооборудование ротора дополнительным кулачком 13, что обеспечит четырехкратное действие.

Камера сгорания 7 (фиг.6) состоит из цилиндра 59 с поршнем 37. Цилиндр 59 оборудован свечой зажигания и/или форсункой (не показано) и посредством окон 2, 6 соединяется с двигательным и компрессионным контуром. Поршень 37 оборудован штоком 44 с ходовым винтом 54 со шлицами 44, муфтой 55 с рычагом 60 и соединен с кулачком 31 посредством рычагов 49, 52 и толкателя 50. По сути это одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, только вместо шатуна установлен шток и отсутствует преобразователь механической энергии.

Камера сгорания работает следующим образом. При вращении ротора 9 сжатый воздух поступает в окно 2 и через открытый впускной клапан 42 поступает непосредственно в область, ограниченную внутренней поверхностью цилиндра 59, головкой цилиндра (не обозначено) и поршнем 37. Выпускной клапан 41 при этом закрыт. При подходе кулачка 1 ротора 9 за впускное окно 2 к пластине 3 клапан 42 закрывает камеру сгорания и в ней происходит дожатие воздуха посредством поршня 37 (если в этом есть необходимость), приводимого штоком 44 от распределительного кулачка 31 на силовом валу 8, затем форсунка впрыскивает топливо, а свеча зажигания воспламеняет рабочую смесь. Кулачок 1 ротора 9 за это время перемещается за выпускное окно 6, после чего открывается выпускной клапан 41 и расширяющиеся газы воздействуют на кулачок 1 ротора 9, тем самым совершится работа. Впускной и выпускной клапаны 41, 42 также приводятся от распределительных кулачков 32 на силовом валу 8 посредством рычагов 34, 35 с шарнирами 57. При вращении шестерни 58 происходит изменение длины винтового штока 44 поршня 37 относительно муфты 55, что позволит изменять объем области сжатия в цилиндре 59, а при дожатии и степень сжатия в цилиндре 59. Электромотор 48 вращает винтовой шток 45 с перемещающейся подвижной осью 47, которая при своем перемещении меняет плечи рычага 49 и позволяет при одинаковом ходе толкателя 50 получить значительное изменение хода поршня 37. При перемещении подвижной оси 47 на рычаг 60 муфты 55 происходит остановка движения поршня даже при продолжающемся возвратно-поступательном движении толкателя 50, внутренний же объем цилиндра 59 регулируется посредством электромотора 56. При дальнейшем продвижении подвижной оси по направлению к электромотору 48 амплитуда хода поршня 37 увеличивается, ее дополнительная коррекция также осуществляется электромотором 56. Пружина 51 предназначена для опускания поршня 37. Толкатель 50 шарнирно связан с рычагом 52, опирающимся на шарнир 53, другое плечо рычага 52 приводится в движение посредством кулачка 31, насаженного на силовой вал 8.

В случае установки камеры сгорания между подвижными пластинами (фиг.5) роль клапанов исполняют подвижные пластины, которые посредством толкателей соединены с кулачками на силовом валу (не показано, т.к. кинематическая схема аналогична вышеописанной). Аналогичным образом осуществляется дожим воздуха (рабочей смеси) в цилиндре.

Клапаны вышеописанных двигателей целесообразно делать такими, чтобы головка клапана закрывала отверстие путем придавливания, т.к. в этом случае головка клапана 41 (фиг. 7) не будет утапливаться в рабочие зоны и мешать движению механизмов, а герметичность достигается тем, что седло клапана 41 закреплено на мембранной вставке 63, которая остановлена в каком-либо коллекторе 43 и воспринимает давление газов, тем самым плотнее прижимает седло клапана 61 к неподвижной головке клапана 41, при этом стержень клапана оборудован наклонными нарезками 40 и удерживается в закрытом состоянии посредством ползуна 38 с наклонной нарезкой зубьев 64 такого же шага и уклона и входящих в пазы нарезок стержня клапана и двигающегося по направляющей, причем чем больше длина ребра нарезки 64, тем меньше усилий для удержания клапана в закрытом состоянии.

Изложенные выше конструкции роторно-пластинчатого двигателя внутреннего сгорания не исчерпывают всех вариантов, а являются лишь его иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты без нарушения основной идеи технического решения.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в уменьшении массы и размеров двигателя, упрощении конструкции, отсутствии сложных движений ротора, хорошей уравновешенности, простоте конструкции, возможности устойчивой работы на низких и высоких оборотах, с разными степенями сжатия и на различных видах топлива, хорошей управляемости оборотами двигателя, снижении механических потерь, автоматическом поддержании коэффициента избытка воздуха.

Формула изобретения

1. Роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну секцию, включающую в себя корпус, статор, оборудованный, по меньшей мере, одной подвижной пластиной, торцовые крышки, ротор, оборудованный, по меньшей мере, одним кулачком, и камеру сгорания с механизмом газораспределения, работающую в пульсирующем режиме, при этом компрессионный и двигательный контуры расположены в одном статоре, отличающийся тем, что камера сгорания изменяет внутренний объем посредством поршня, а привод поршня осуществляется рычагом с изменяемой точкой опоры.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что пластины установлены в статоре радиально или под углом к радиусу.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор имеет круглую форму профиля.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что компрессионный и двигательный контуры соединены регулируемым перепускным клапаном.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что торцевые крышки, рубашка охлаждения торцевых крышек и полый ротор выполнены как единое целое.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что камера сгорания оборудована в статоре между двумя подвижными пластинами.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что седло клапана оборудовано на мембране.

РИСУНКИ

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