Роторный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является упрощение конструкции, увеличение надежности работы уплотнительных элементов и повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит статор с профилированной внутренней поверхностью переменного радиуса и ротор с подвижными элементами, взаимодействующими с профилированной поверхностью статора. Согласно изобретению на внутренней поверхности статора выполнены две диаметрально противоположные впадины, в которых размещены средства для перепуска топливной смеси, выполненные в виде закрепленных на статоре углами радиально подвижных клиньев-клапанов, которые утапливаются в тело статора до стыка с его цилиндрическими частями. Уплотнительные элементы ротора выполнены в виде клиньев, каждая пара которых соединена друг с другом углами, закрепленными в одной точке на роторе. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), которые могут быть использованы на автотранспорте, в тракторостроении, малой авиации, на малых водных средствах передвижения и др.
Известен ДВС (патент РФ № 2209323, F 02 B 53/10, опубл. 27.07.2003), имеющий статор с профилированной внутренней поверхностью переменного радиуса, имеющий несколько симметрично расположенных эллипсоидных впадин, впускные и выпускные отверстия для топливной смеси и отверстия для подведения средств поджигания топливной смеси; а также ротор с установленными в нем уплотнительными радиально подвижными пластинами, постоянно взаимодействующими с профилированной поверхностью статора и образующими рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, зонами впуска-воспламенения топливной смеси с зоной дополнительного сжатия, зонами расширения и выпуска отработавших газов. Уплотнительные пластины, взаимодействующие с направляющей статора, имеют шарнирно-подвижные уплотнения. Основными недостатками данного ДВС является сложная профилированная поверхность статора и повышенное воздействие центробежных сил на уплотнительную поверхность пластин, ведущую к их механическим повреждениям и, следовательно, к снижению надежности работы ДВС. Кроме того, поджог и взрывное действие топливной смеси, производимое в перепускном канале, направляется в камеру увеличивающегося объема, за счет чего снижается эффективность его действия.
Наиболее близким к предлагаемому является роторный ДВС (патент РФ №2126898, МПК F 02 B 53/02, опубл. 27.02.1999), содержащий статор и ротор на валу. Внутри статора жестко закреплена профилированная направляющая переменного радиуса с выступами и впадинами. В роторе радиально попарно (6 пар) и параллельно друг другу в каждой паре размещены уплотнительные пластины с возможностью радиального перемещения (под действием пружин и центробежной силы) и постоянного взаимодействия с профилированной направляющей статора. Уплотнительные пластины и торцевые неподвижные диски образуют рабочие камеры: выпуска воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов (начала рабочего хода) и аналогичную камеру в конце рабочего хода, а также камеры всасывания - сжатия и перепуска топливной смеси. Перепускные каналы выполнены в профилированной направляющей. На выходах перепускных каналов размещены обратные клапаны.
Эта конструкция ДВС имеет следующие недостатки:
- сложная конструкция встраиваемой в статор профилированной направляющей, имеющей перепускные каналы и обратные клапаны внутри нее;
- необходимость дополнительных торцевых дисков для образования рабочих камер;
- недостаточная надежность работы уплотнительных торцевых частей пластин, которые при большом количестве оборотов в минуту (до 1500) под действием центробежной силы могут подвергаться нагреву, торможению ротора, а также повреждению их верхней части и заклиниванию двигателя, задиру направляющей статора;
- при воспламенении топливной смеси образующиеся газы, расширяясь, создают одинаковое давление на все стороны камеры сгорания, снижая таким образом эффективность взрыва топливной смеси;
- увеличение рабочих ходов приведет к увеличению расхода топлива и расходу смазочного материала; и другие недостатки.
Все это в совокупности приводит к усложнению конструкции, недостаточной ее надежности и снижению КПД.
Задачами предлагаемого устройства роторного ДВС являются упрощение конструкции направляющей поверхности статора, увеличение надежности работы уплотнительных элементов, повышение эффективности использования топливной смеси и КПД двигателя, уменьшение его веса и габаритов.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор с профилированной внутренней поверхностью переменного радиуса, имеющий диаметрально противоположно расположенные отверстия впуска топливной смеси, отверстия для средств зажигания топливной смеси и отверстия для выпуска отработавших газов, а также средство для перепуска топливной смеси; и ротор на валу, включающий уплотнительные элементы, радиально подвижные и равномерно разнесенные по его поверхности, постоянно взаимодействующие с профилированной поверхностью статора в рабочем положении и образующие рабочие камеры впуска топливной смеси, камеры ее сжигания и камеры выпуска отработавших газов, а также средства для перепуска топливной смеси, профилированная внутренняя поверхность статора выполнена концентрической с цилиндрическим ротором, имеющей две диаметрально противоположные эллипсоидные впадины, отверстия для впуска топливной смеси размещены с одной стороны каждой впадины, отверстия для зажигания топливной смеси размещены с другой стороны каждой впадины, при этом у отверстий для зажигания на внутренней поверхности статора в местах перехода эллипсоидных впадин в концентрические части размещены средства для перепуска топливной смеси, выполненные в виде перепускных обратнозапорных клапанов в форме радиально подвижных клиньев, закрепленных на теле статора углами со стороны впадин и утапливаемых в тело статора до стыка с его цилиндрическими частями; уплотнительные элементы ротора выполнены в виде пар клапанов в форме клиньев, каждая пара которых соединена друг с другом углами, закрепленными в одной точке на теле ротора с возможностью радиального движения каждого клапана-клина, при этом клапаны-клинья имеют выпуклую поверхность, сопрягаемую с цилиндрической поверхностью ротора при их утапливании в тело ротора в нерабочем положении, кроме того, ротор дополнительно содержит равномерно разнесенные по его поверхности выступы высотой на ширину зазора между цилиндром ротора и концентрическими частями статора; а также камеры впуска топливной смеси образованы во впадинах и служат камерами накопления топливной смеси и наполнения ее воздухом, а камеры сжигания образованы между выступающими в зазор перепускными обратнозапорными клапанами статора и выступами ротора и служат камерами сжатия и взрыва топливной смеси.
При этом оптимальным количеством пар уплотнительных клапанов-клиньев ротора является четыре пары.
А также внутри ротора выполнены симметрично расположенные пустоты одинаковой конфигурации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, представляющим вид двигателя в разрезе.
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный статор 1 и ротор 2, вращающийся на валу 3. В статоре выполнены по два впускных отверстия 4 для впуска топливной смеси, два выпускных отверстия 5 для выпуска отработавших газов, а также два отверстия 6 для подвода средств зажигания. При этом все пары отверстий расположены в статоре диаметрально противоположно друг другу. Внутренняя поверхность статора выполнена в виде концентрической с цилиндрическим ротором окружности, имеющей две эллипсоидные впадины 7, плавно сопряженные с концентрическими частями окружности и расположенные с диаметрально противоположных сторон статора. С одной стороны каждой впадины 7 у концентрической части размещено отверстие 4 для впуска топливной смеси. С другой стороны каждой впадины 7 в месте ее перехода в концентрическую часть выполнен в виде клина перепускной обратнозапорный клапан 8, закрепленный на теле статора со стороны впадины 7 и подвижный под действием пружины со стороны стыка с концентрической частью статора. При этом оба клапана 8, плавно сопряженные с поверхностью статора своей вогнутой поверхностью, расположены с диаметрально противоположных сторон статора. Ротор 2 содержит четыре пары равномерно разнесенных по окружности уплотнительных элементов - клапанов 9 и 10. Каждая пара клапанов 9 и 10 выполнена в виде клиньев с выпуклыми поверхностями, сопрягаемыми с поверхностью ротора, соединенных друг с другом на поверхности ротора в одной точке концами одинаковых углов, закрепленных на поверхности ротора, например, шарнирно, и радиально подвижных и выступающих из тела ротора с противоположных закрепленной точке сторон каждой пары. В неработающем положении пары уплотнительных клапанов-клиньев 9 и 10 утоплены в тело ротора и образуют с ним сплошную цилиндрическую поверхность. В рабочем положении все пары клапанов-клиньев 9 и 10 радиально подвижны под действием пружин и центробежных сил с противоположных сторон каждой пары и постоянно взаимодействуют с профилированной направляющей статора. Кроме того, между четырьмя парами клапанов-клиньев 9 и 10 на цилиндрической поверхности ротора выполнены равномерно разнесенные по окружности четыре выступа 11, выступающие на ширину зазора между ротором и статором в концентрической части, служащие для открывания перепускных обратнозапорных клапанов 8 статора. При этом у впускного отверстия 4 в каждой впадине 7 образуется камера А впуска топливной смеси. При попадании ее (при продвижении по часовой стрелке) между обратнозапорным клапаном 8 (открываемом выступом 11 и пропускающим топливную смесь) и выступом 11 против отверстия 6 со средствами зажигания образуется камера Б сжатия и сгорания топливной смеси. И зазор между статором и ротором до выходного отверстия 5 служит для удаления отработавших газов. Кроме того, в теле ротора выполнены симметрично расположенные пустоты 12 одинаковой конфигурации. Статор жестко закреплен на станине (не показана). Ротор, вставленный в статор, с торцов закрыт крышками (не показаны), имеющими отверстия, аналогичные по форме пустотам 12 в теле ротора. Роторный ДВС работает следующим образом.
При вращении ротора 2 по часовой стрелке уплотнительные клапаны-клинья 9 и 10 (выполняющие также функции поршней) под действием центробежной силы и пружин как бы плавают в зазоре между ротором и статором и находятся в постоянном взаимодействии с профилированной направляющей статора, образуя рабочие камеры ДВС. При прохождении клапаном-клином 10 впускного отверстия он, выполняя роль поршня, всасывает топливную смесь в камеру А во впадине 7, где происходит наполнение топливной смеси и смешивание ее с воздухом. Процесс всасывания происходит до тех пор, пока отверстие 4 не перекроется клапаном 9 следующей пары. Дальнейшее вращение ротора перемещает ограниченную клапанами 10 и 9 соседних пар топливную смесь. При этом находящийся в этом промежутке выступ 11 открывает (утапливает в тело статора) постоянно закрытый (находящийся в зазоре) перепускной обратнозапорный клапан 8. Клапан 8 перепускает поток топливной смеси в камеру Б, образованную между прошедшим выступом 11 и закрывшимся клапаном 8 после перепуска всего объема топливной смеси, продвигаемого клапанами 10 и 9 соседних пар из впадины. Запертая и сжатая рабочая смесь поджигается свечой зажигания в отверстии 6. Происходит ее взрыв, при этом энергия взрыва, отталкиваясь от запертого клапана 8, направляется в сторону свободно движущегося выступа 11 и происходит ход двигателя. Между парой клиньев 9 и 10 образуется свободное пространство, способствующее закрыванию перепускного клапана 8. Перемещаясь далее в зазоре между статором и ротором, выступ 11 открывает отверстие 5, через которое происходит удаление отработавших газов, и идущий следом клапан 9 полностью их выталкивает. Цикл происходит одновременно в двух камерах, за один оборот ротора производится 8 циклов, при этом двигатель развивает скорость до 1000 оборотов в минуту. Для охлаждения ДВС и уменьшения его веса в теле ротора выполнены пустоты 12 и аналогичные отверстия предусмотрены в торцевых крышках двигателя, обеспечивающие циркуляцию воздуха.
Таким образом, основными отличительными особенностями данного двигателя являются более простая конструкция направляющей статора, наличие двух перепускных обратнозапорных клапанов, обеспечивающих плотное закрывание, и упор, создающий направление энергии взрыва в камере сгорания. Камера сгорания, образованная обратнозапорным клапаном и выступом ротора, более эффективно совершает работу двигателя. Ротор, снабженный парами уплотнительных клапанов в виде клиньев, открывающихся при запуске двигателя пружинами и удерживающихся в постоянном контакте с направляющей статора за счет центробежной силы, плавно передвигается по ней. Все это создает эффективную работу двигателя с повышенным КПД, снижает вес и габариты по сравнению с другими поршневыми установками. Данный двигатель может быть применен как компрессор, а при подаче в отверстие вместо свечи зажигания пара под давлением можно получить паровой двигатель, КПД которого будет выше, чем у турбины. Малые габариты двигателя позволяют посадить на один вал несколько двигателей, что может существенно повысить мощность установки.
1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с профилированной внутренней поверхностью переменного радиуса, имеющий диаметрально противоположно расположенные отверстия впуска топливной смеси, отверстия для средств зажигания топливной смеси и отверстия для выпуска отработавших газов, а также средство для перепуска топливной смеси; ротор на валу, включающий уплотнительные элементы, радиально подвижные и равномерно разнесенные по его поверхности, постоянно взаимодействующие с профилированной поверхностью статора в рабочем положении и образующие рабочие камеры впуска топливной смеси, камеры ее сжигания и камеры выпуска отработавших газов, а также средства для перепуска топливной смеси, отличающийся тем, что профилированная внутренняя поверхность статора выполнена концентрической с цилиндрическим ротором, имеющей две диаметрально противоположные эллипсоидные впадины, отверстия впуска топливной смеси размещены с одной стороны каждой впадины, отверстия для зажигания топливной смеси размещены с другой стороны каждой впадины, при этом у отверстий для зажигания на внутренней поверхности статора в местах перехода эллипсоидных впадин в концентрические части размещены средства для перепуска топливной смеси, выполненные в виде перепускных обратнозапорных клапанов в форме радиально подвижных клиньев, закрепленных на теле статора углами со стороны впадин и утапливаемых в тело статора до стыка с его цилиндрическими частями; уплотнительные элементы ротора выполнены в виде пар клапанов в форме клиньев, каждая пара которых соединена друг с другом углами, закрепленными в одной точке на теле ротора с возможностью радиального движения каждого клапана-клина, при этом клапаны-клинья имеют выпуклую поверхность, сопрягаемую с цилиндрической поверхностью ротора при их утапливании в тело ротора в нерабочем положении, кроме того, ротор дополнительно содержит равномерно разнесенные по его поверхности выступы высотой на ширину зазора между цилиндром ротора и концентрическими частями статора; а также камеры впуска топливной смеси образованы во впадинах и служат камерами накопления топливной смеси и наполнения ее воздухом, а камеры сжигания образованы между выступающими в зазор перепускными обратнозапорными клапанами статора и выступами ротора и служат камерами сжатия и взрыва топливной смеси.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что оптимальным количеством пар уплотнительных клапанов-клиньев ротора является четыре пары.
3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что внутри ротора выполнены симметрично расположенные пустоты одинаковой конфигурации.
