Роторный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет упростить двигатель, уменьшить его размеры и удельный вес, а также увеличить мощность. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит два различных по диаметру цилиндрических ротора: внутренний и внешний. Внутренний и внешний роторы концентрично расположены относительно друг друга и оси двигателя, закрыты с торцов крышками, прикрепленными к внешнему ротору с продувочным окном на задней крышке и выпускным на передней. Между крышками и роторами образуется кольцевая герметичная рабочая камера. Из роторов внутрь кольцевой камеры на половину ее высоты установлены выступы газовых затворов с радиальными пазами, в которых размещаются подвижные уплотнительные заслонки с продольными канавками, выполненные на их контактирующих сторонах. Роторы кинематически связаны между собой синхронизирующей конической зубчатой передачей, содержащей в себе шестерню, жестко посаженную на ступицу передней крышки, шестерню, установленную на вал внутреннего ротора, и промежуточную шестерню, размещенную между ними. Камера сгорания с клапанами, продувочным окном и форсункой установлена на наружной стороне внешнего ротора, над газовым затвором и через клапаны и каналы соединяется с пространством кольцевой камеры. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано во всех областях народного хозяйства и обороны страны, где в качестве силовых установок применяются двигатели внутреннего сгорания (поршневые и газовые турбины).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания более сложны в конструктивном отношении и тяжелы, но экономичны.

Устройство газовых турбин проще поршневых двигателей, они легки, компактны и быстроходны, но экономические показатели их ниже при мощностях турбин до 500 л.с.

Попытки создания двигателя внутреннего сгорания, сочетающего в себе положительные качества поршневых двигателей и газовых турбин, в которых рабочий орган, ограничивающий пространство сгорания, совершает вращательное движение, предпринимались с конца XIX века. Но сложные конструктивные и технологические задачи надолго задержали решение этой проблемы.

До последнего времени не удалось создать конструкции роторного двигателя, способного конкурировать с двигателями обычного типа.

Наиболее близким решением этой проблемы стала конструкция двигателя инженера Ванкеля.

В этом двигателе треугольный ротор обкатывается своими вершинами по внутренней эпитрохоидной поверхности корпуса. Между гранями ротора и стенками корпуса образуются рабочие камеры переменного объема, в которых протекает рабочий процесс.

Но и в этом двигателе нерешенными вопросами остались проблемы уплотнения рабочего пространства двигателя, большого износа рабочих элементов, а также эффективного охлаждения ротора и смазки контактирующих поверхностей.

Целью настоящего изобретения является создание работоспособного, мощного и экономичного роторного двигателя с хорошими технико-экономическими показателями, лишенного вышеназванных недостатков.

Указанная цель достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий два различных по диаметру цилиндрических ротора: внутренний с валом вдоль осевой части и внешний, концентрично расположенные относительно друг друга и оси двигателя, закрытые с торцов крышками, прикрепленными к внешнему ротору с продувочным окном на задней крышке и выпускным на передней, между крышками и роторами образуется кольцевая герметичная рабочая камера, согласно изобретению из роторов внутрь кольцевой камеры на половину ее высоты установлены выступы газовых затворов с радиальными пазами, в которых размещаются подвижные уплотнительные заслонки с продольными канавками, выполненные на их контактирующих сторонах. Роторы кинематически связаны между собой синхронизирующей конической зубчатой передачей, содержащей в себе шестерню, жестко посаженную на ступицу передней крышки, шестерню, установленную на вал внутреннего ротора, и промежуточную шестерню, размещенную между ними. Камера сгорания с клапанами, продувочным окном и форсункой установлена на наружной стороне внешнего ротора, над газовым затвором и через клапаны и каналы соединяется с пространством кольцевой камеры.

В процессе компоновки двигателя принята несколько другая схема размещения и взаимосвязи всех узлов и механизмов. В результате чего в предложенной конструкции роторного двигателя удалось улучшить систему уплотнения рабочего пространства, упростить передаточный механизм от рабочих органов к рабочему валу, устранить из конструкции кривошипно-шатунный механизм и другие передачи и тем самым свести к минимуму инерционные усилия, увеличить быстроходность и литровую мощность, уменьшить размеры и вес двигателя. В кольцевой камере, образованной между внутренним и внешним роторами и закрытой с торцов крышками, осуществлен двухтактный рабочий процесс двойного действия с непосредственным впрыскиванием топлива.

Чертежи, поясняющие изобретение:

фиг.1 - общая схема поперечного разреза двигателя;

фиг.2 - продольный разрез данного двигателя;

фиг.3 - схема устройства заслонки газового затвора без показа уплотнительных канавок.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит два различных по диаметру цилиндрических ротора (внутренний 1 и внешний 2), концентрично расположенных относительно друг друга и оси двигателя. Внутренний ротор выполнен пустотелым с выступами по бокам осевой части в виде вала 3, на котором имеются два клапана золотникового типа, на заднем конце - впускной 4, на переднем конце - впускной 5. Роторы с торцов закрыты крышками: передней 6 и задней 7, прикрепленными к внешнему ротору.

Осевая часть крышек выполнена в виде ступиц 8 для свободной посадки их на вал внутреннего ротора.

На передней крышке ближе к внутренней цилиндрической поверхности внешнего ротора имеется выпускное окно 9, на задней крышке - продувочное окно 10, окна смещены между собой на 180°.

Роторы связаны между собой синхронизирующей конической зубчатой передачей, которая обеспечивает их вращение в противоположных направлениях. Одна из шестерен 11 жестко посажена на ступицу передней крышки, вторая 12 - на вал внутреннего ротора, а третья 13 промежуточная размещается между ними и устанавливается на раме двигателя.

Между роторами и крышками образуется кольцевая герметичная камера.

Из роторов внутрь кольцевой камеры на половину ее высоты установлены выступы газовых затворов 15 и 16 с радиальными пазами, в которых устанавливаются подвижные заслонки 17, 18.

Заслонки выполняются разъемными с внутренним гнездом 19 под пружину, которая прижимает обе половины заслонки к стенкам крышек. Контактирующие стороны заслонок имеют продольные уплотнительные канавки.

На конце каждой заслонки имеется по одному сверлению 20 под пальцы толкателей кулачкового механизма (не показанного на чертеже), с помощью которых заслонки перемещаются в радиальных пазах выступов газовых затворов и прижимаются к цилиндрическим поверхностям роторов. Для лучшей герметизации заслонки тщательно шлифуются и притираются к контактирующей поверхности 27 кольцевой камеры 14. С наружной стороны внешнего ротора над выступом газового затвора закреплена камера сгорания 21 с впускным 22 и выпускным 23 клапанами, продувочным окном 24 и форсункой 25 для подачи топлива в камеру сгорания.

Для сведения, к минимуму инерционных усилий с другой стороны ротора напротив камеры сгорания крепится противовес 26. Вся наружная поверхность внешнего ротора выполнена в виде ребер воздушного охлаждения, установленных под углом направления вращения ротора для лучшей вентиляции.

Через клапаны 22, 23 и каналы 28, 29, выполненные около выступа газового затвора, камера сгорания соединяется с пространством кольцевой камеры 14. В осевой части вала внутреннего ротора установлен маслопровод 30 для подачи и вывода масла из полости ротора.

Кроме того, двигатель снабжается продувочным, топливным и масляным насосами для обеспечения нормальной работы.

В роторном двухтактном двигателе двойного действия предложенной конструкции рабочий процесс должен протекать в следующем порядке.

При схождении газовых затворов в верхней половине кольцевой камеры воздух в камере сгорания 21 сильно сжат до высоких степеней 16-17 и туда форсункой 25 произведен впрыск топлива, впускной клапан камеры 22 закрыт, а выпускной 23 - открыт. Через клапан 23 и канал 29 горящая рабочая смесь выбрасывается в кольцевую камеру 14, где она догорает, расширяется, воздействуя на газовые затворы и приводя во вращение оба ротора. Ввиду того, что золотниковые клапаны 4 и 5 закрыты, прорыв газов через продувочные окна отсутствует. Когда газовые затворы разойдутся на 180°, давление в кольцевой камере упадет, и откроется выпускной клапан 5, через который отработанные газы из кольцевой камеры через выпускное окно 9 выходят в атмосферу.

В дальнейшем происходит открытие клапана 4 и подача чистого воздуха из продувочного насоса через продувочное окно 10 в кольцевую камеру и продувочное окно 10 в камеру сгорания. В это время происходит прямоточная продувка.

Затем клапан 5 закрывается и начинается наддув в камеру чистого воздуха до тех пор, пока вся камера не будет заполнена воздухом.

После этого клапан 4 также закрывается, в это время в нижней половине кольцевой камеры происходит процесс, аналогичный описанному: сначала сжатие рабочей смеси, затем сгорание, расширение, выпуск, продувка и наддув.

Система охлаждения роторного двигателя предусматривается комбинированной.

Внешний ротор рассчитан на воздушное охлаждение, для этого наружная поверхность ротора выполнена в виде ребер воздушного охлаждения, установленных под углом направления вращения ротора.

Охлаждение внутреннего ротора проводится с помощью масла, закачиваемого по маслопроводу 30 во внутреннюю полость ротора.

Смазка рабочих органов двигателя осуществляется маслом из внутренней полости ротора по сверлениям в уплотнительной заслонке и цилиндрической поверхности ротора.

В предложенной конструкции роторного двигателя предпринята попытка объединить положительные свойства двигателей внутреннего сгорания и по возможности устранить их основные недостатки.

В результате компоновки двигателя был упрощен передаточный механизм от рабочих органов к рабочему валу. Устранен из конструкции кривошипно-шатунный механизм и ряд других передач, а вследствие этого в несколько раз уменьшены размеры двигателя и снижен его удельный вес. А сведенные до минимума инерционные нагрузки способствовали увеличению быстроходности и литровой мощности.

Повышению мощности двигателя также способствует прямоточная продувка воздухом рабочих камер от отработанных газов, что привело к увеличению эффективного давления. Основным же фактором повышения мощности и экономичности двигателя стала возможность осуществления в нем двухтактного рабочего процесса двойного действия с непосредственным впрыскиванием топлива, что намного увеличивает мощность двигателя.

Простые расчеты служат подтверждением этих выводов.

Например, заданы размеры кольцевой камеры. Ширина - 100 мм, высота - 100 мм, средний радиус вращения кольцевой камеры - 150 мм, объем кольцевой камеры - 9400 см³, однако из этого объема исключается объем газовых затворов в сумме 1400 см³, так что остаточный объем камеры будет 8000 см³ или 8 л. По этим данным можно определить мощность двигателя по формуле для двухтактных двигателей:

где Ре - давление, равное 6 кг/см², V - объем, равный 8 л, n - частота вращения, равная 3000 об/мин и i - количество секций равное 1.

Что же касается двухтактного двигателя двойного действия, то его мощность возрастает на 80-85%:

320×0,8=256 л.с.

В целом же эффективная мощность двухтактного двигателя двойного действия будет:

320+256=576 л.с.

Но из этой величины необходимо исключить 76 л.с. на привод продувочного насоса, тогда литровая мощность будет 500/8=62 л.с./л.

Из этого следует, что по всем основным параметрам - размеру, удельному весу, мощности и литровой мощности - предложенный двигатель превосходит все известные.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий два различных по диаметру цилиндрических ротора: внутренний с валом вдоль осевой части и внешний, концентрично расположенные относительно друг друга и оси двигателя, закрытые с торцов крышками, прикрепленными к внешнему ротору с продувочным окном на задней крышке и выпускным на передней, между крышками и роторами образуется кольцевая герметичная рабочая камера, отличающийся тем, что из роторов внутрь кольцевой камеры на половину ее высоты установлены выступы газовых затворов с радиальными пазами, в которых размещаются подвижные уплотнительные заслонки с продольными канавками, выполненные на их контактирующих сторонах.

2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что роторы кинематически связаны между собой синхронизирующей конической зубчатой передачей, содержащей в себе шестерню, жестко посаженную на ступицу передней крышки, шестерню, установленную на вал внутреннего ротора, и промежуточную шестерню, размещенную между ними.

3. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания с клапанами, продувочным окном и форсункой установлена на наружной стороне внешнего ротора над газовым затвором и через клапаны и каналы соединяется с пространством кольцевой камеры.