Роторный двигатель внутреннего сгорания

Роторный двигатель внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое устройство относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания. Известен, например, роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ф. Ванкелем (ФРГ) (А.Ф.Крайнев. “Словарь-справочник по механизмам”, М., “Машиностроение”, 1987, стр. 40).

Двигатель Ванкеля содержит ротор, размещенный внутри корпуса, цилиндрическая поверхность которого выполнена по эпитрохоиде. Ротор установлен так, что он может вращаться на эксцентриковом валу и соединен жестко с зубчатым колесом, которое обкатывается по неподвижной шестерне, и его грани скользят по поверхности цилиндра, отсекая переменные объемы камер. Впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов осуществляется через каналы впуска и выпуска, а воспламенение смеси - от свечи зажигания. Применение данной схемы двигателя, в отличие от традиционной, позволило уйти от возвратно-поступательного движения поршня, отказаться от кривошипно-шатунного механизма, сложной системы клапанного газораспределения, что позволило упростить конструкцию, снизить ударные нагрузки, повысить обороты двигателя и уменьшить габариты и массу двигателя. Однако недостатком данного двигателя является то, что в связи со сложным профилем цилиндра корпуса возникают трудности в его изготовлении, а сложная траектория движения ротора создает трудности в обеспечении герметичности изменяемых рабочих объемов.

Известен также роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2196905, опуб. 19.02.2001), который содержит корпус, статор, оборудованный, по меньшей мере, одной подвижной пластиной, торцевые 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. Камера сгорания изменяет внутренний объем посредством поршня, а привод поршня осуществляется рычагом с изменяемой точкой опоры. Применение этой схемы двигателя позволило применить статор с круглой формой профиля, что упростило его конструкцию и упростило задачу в обеспечении герметизации переменных объемов. Однако данная схема имеет недостатки. Камера сгорания снабжена поршнем и оборудована механизмом газораспределения, что делает конструкцию достаточно сложной.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является роторный двигатель, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытой с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один кулачковый выступ, который имеет возможность скользить по цилиндрическому профилю статора, подвижные перегородки, поджатые к ротору, по меньшей мере, одну камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре кулачковым выступом и перегородками переменные внутренние объемы (патент США №1637958, опуб. 02.08.1927).

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в максимальном упрощении конструкции, повышении надежности и снижении габаритов и массы.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном двигателе, содержащем статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытой с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один кулачковый выступ, который имеет возможность скользить по цилиндрическому профилю статора, подвижные перегородки, поджатые к ротору, по меньшей мере, одну камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре кулачковым выступом и перегородками переменные внутренние объемы, согласно изобретению предкамера выполнена внутри ротора с отверстием на торцевой стороне ротора, закрываемым торцевой частью статора, а основной камерой является один из переменных внутренних объемов статора, причем на торцевой стороне статора выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, торцевой частью ротора и переменными внутренними объемами статора.

Поставленная задача достигается также тем, что предкамера может иметь свечу для воспламенения топливной смеси.

Поставленная задача достигается также тем, что свеча для воспламенения топливной смеси может быть установлена в канавке статора.

Поставленная задача достигается также тем, что он может содержать форсунку для подачи топлива.

Таким образом, свободные переменные объемы статора - переменные камеры статора, образуемые кулачковыми выступами ротора и подвижными перегородками, подобны камерам, образуемым традиционным цилиндром и подвижным поршнем, и заменяют их. Традиционная система газораспределения в предлагаемом двигателе отсутствует, поскольку ее заменяет система канавок в статоре, которые в момент взаимодействия их с отверстием предкамеры пропускают сжимающийся газ (топливную смесь) из свободного переменного объема статора или в предкамеру или после воспламенения топливной смеси в предкамере - из нее в свободный переменный объем - основную камеру сгорания, где расширяющийся газ давит на кулачковые выступы ротора, заставляя его совершать рабочий ход. Закрывается отверстие предкамеры торцевой частью статора, в которой отсутствуют канавки.

Предлагаемый двигатель может быть выполнен по схеме бензинового с зажиганием от свечи или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с воспламенением от сжатого воздуха (схема дизеля). В этом случае вместо свечи устанавливается форсунка.

Конструктивная схема предлагаемого роторного двигателя иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид двигателя (со снятым торцом статора).

На фиг.2 изображен разрез А-А фиг.1.

На фиг.3 изображен разрез по кулачковому выступу ротора (разрез Б-Б фиг.1).

На фиг.4 изображен разрез по предкамере (разрез В-В фиг.3).

На фиг.5 изображен разрез по торцевому стыку статора и ротора (разрез Г-Г фиг.2).

На фиг.6 показано для правой половины двигателя начало процесса впуска и сжатия; для другой, левой половины двигателя - начало процесса рабочего хода и выпуска отработанных газов.

На фиг.7 показан момент пересечения кулачковыми выступами подвижных перегородок (“мертвая зона”).

На фиг.8 показан для правой половины двигателя конец процесса впуска и сжатия; для левой половины двигателя, - конец процесса рабочего хода и выпуска отработанных газов.

Предлагаемый двигатель включает в себя статор 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде кругового цилиндра, герметично закрытого с торцов. Внутри статора 1 размещен ротор 2, выполненный с боковой кулачковой поверхностью, например, с двумя кулачковыми выступами 3 и 4, которые имеют возможность скользить по цилиндрическому профилю статора 1, образуя герметичное подвижное соединение. Радиально к цилиндрической поверхности статора 1, на противоположных сторонах, герметично установлены две подвижные перегородки 5 и 6, которые постоянно поджаты к кулачковому профилю ротора 2 (в том числе при его вращении) с помощью пружин 7 и образуют с поверхностью ротора 2 подвижное герметичное соединение. Торцевые поверхности статора 1 и торцевые поверхности ротора 2 образуют также подвижные герметичные соединения. Кулачковые выступы 3 и 4 ротора 2 и подвижные перегородки 5 и 6 отсекают свободные переменные объемы статора - переменные объемы камер 18, 19, 20 и 21 статора 1. По обе стороны от подвижной перегородки 5, вблизи нее, в статоре 1 выполнены два отверстия 8 и 9. Отверстие 8 - впускное и служит для подвода топливной смеси (или наружного воздуха). Отверстие 9 - выпускное и служит для выпуска отработанных газов. Внутри ротора 2, вблизи каждого из кулачковых выступов 3 и 4, выполнены соответственно предкамера 10 с отверстием 12 и предкамера 11с отверстием 13. Отверстия 12 и 13 служат для впуска свежей порции топливной смеси в предкамеры 10 и 11 и для выпуска горячих газов (продуктов сгорания). Каждая из предкамер 10 и 11 оборудована свечей зажигания (для воспламенения топливной смеси) 14 и 15. На одной из торцевых поверхностей статора 1 выполнены канавки 16 и 17, взаимодействующие с отверстиями 12 и 13 предкамер 10 и 11 и с торцевой поверхностью ротора 2.

Двигатель работает следующим образом. Исходное положение ротора 2 может быть любым. Для примера: кулачковый выступ 3 ротора 2 находится справа от подвижной перегородки 5. Вращение ротора 2 происходит по часовой стрелке, как показано стрелкой на фиг.6, 7 и 8. Поскольку кулачковые выступы 3 и 4 ротора 2 расположены симметрично друг от друга, то такты работы двигателя для каждой из предкамер 10 и 11 также симметричны. Рассмотрим такты работы двигателя по мере прохождения газов из одного объема в другой.

1 такт (фиг.6): впуск (для камеры 18). При вращении ротора 2 в переменном (увеличивающемся) объеме камеры 18, образуемом подвижной перегородкой 5 и кулачковым выступом 3 ротора 2, возникает разрежение и через отверстие 8 поступает свежая горючая смесь. Такт заканчивается, когда кулачковый выступ 3 подходит к подвижной перегородке 6. Момент, когда кулачковый выступ 3 отжимает подвижную перегородку 6, а кулачковый выступ 4 отжимает подвижную перегородку 5, утапливая их внутрь статора 2 - это момент “мертвой зоны” (фиг.7).

2 такт (фиг.8): сжатие (для камеры 19). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 контактирует с подвижной перегородкой 6 (момент “мертвой зоны”), а кулачковый выступ 4 последовательно контактирует с подвижной перегородкой 5 (“мертвая зона”), а затем проходит мимо впускного отверстия 8. Таким образом, поступившая во внутренний объем 18 статора 2 топливная смесь оказывается заперта в ней между кулачковым выступом 4 (который отсек камеру от впускного отверстия 8) и подвижной перегородкой 6. То есть в этом положении топливная смесь перешла из камеры 18 в камеру 19. Камера 19 - это переменный (уменьшаемый) объем, образуемый между кулачковым выступом 4 ротора 2 и подвижной перегородкой 6 (камера сжатия). Камера 19 соединена с канавкой 16, которая взаимодействует с отверстием 13 предкамеры 11, куда и поступает сжимающаяся топливная смесь. В конце такта кулачковый выступ 4 ротора 2 подходит к подвижной перегородке 6, полностью вытесняя сжатую в камере 19 топливную смесь в канавку 16 и через отверстие 13 в предкамеру 11. Далее отверстие 13 закрывается торцевой частью статора 1 и сжатая топливная смесь оказывается заперта в предкамере 11.

3 такт (фиг.8): рабочий ход (для камеры 20). При дальнейшем движении ротора 2 его кулачковый выступ 4 контактирует с подвижной перегородкой 6 и образует новый переменный расширяющийся объем между подвижной перегородкой 6 и выступающей частью 4 ротора 2. Это камера 20. В этот момент в предкамере 11 свечей зажигания 14 воспламеняется топливная смесь, а отверстие 13 предкамеры 11 соединяется с канавкой 17 и выпускает в камеру 20 расширяющиеся и еще не сгоревшие газы топливной смеси, которые догорают в этой камере 20 и давят на кулачковый выступ 4 ротора 2, заставляя его поворачиваться и совершать рабочий ход. Так как воспламенение топливной смеси происходит в предкамере 11, а расширяющиеся газы проникают в камеру 20 через отверстие 13 и канавку 15, то давление на кулачковый выступ 4 ротора возрастает более плавно, что создает более плавный режим работы двигателя. Таким образом, видно, что камера сгорания для данной конструкции состоит из предкамер 11 и 12, а также камеры переменного расширяющего объема 20, причем предкамеры 11 и 12 поочередно соединяются канавками 17 с камерой 20. То есть камера 20 - это основная камера камеры сгорания.

4 такт (фиг.8): выпуск отработанных газов (для камеры 21). При дальнейшем движении ротора 2 его выступающая часть 4 пересекает отверстие с выпускным каналом 9 статора 1 и объем с расширяющимися газами соединяется с указанным отверстием 9, переходя в этот момент в камеру 21. Кулачковый выступ 3 контактирует с подвижной перегородкой 6, уменьшая при перемещении объем камеры 21 и вытесняя отработанные газы через выпускное отверстие 9 наружу. В конце такта кулачковый выступ 3 ротора 2 контактирует с подвижной перегородкой 5, образуя новый переменный расширяющийся объем (камеру 18), куда через открытое впускное отверстие 8 засасывается новая порция топливной смеси, и цикл повторяется.

Таким образом, видно, что в правой части двигателя располагаются камеры переменного объема 18 и 19, где камера 18 расширяющегося объема, в которую всасывается свежая порция топливной смеси (или воздуха) через открытое отверстие 8, а камера 19 - уменьшающегося объема и в ней происходит сжатие поступившей топливной смеси из камеры 18. То есть камера 18 - камера всасывания, а камера 19 - камера сжатия.

В левой части двигателя располагаются переменного объема камеры 20 и 21. Камера 20 расширяющегося объема и в ней происходит расширение сгораемой топливной смеси, поступившей из предкамер 10 или 11. Давление ее на кулачковый выступ 3 или 4 позволяет осуществить рабочий ход, то есть камера 20 - камера рабочего хода, являющаяся основной частью камеры сгорания. Когда объем газа соединяется с выпускным отверстием 9, то данная камера становится камерой уменьшаемого объема, то есть камерой 21. Камера 21 - камера выпуска отработанного газа (камера выхлопа).

Поскольку у ротора 2 имеются два кулачковых выступа 3 и 4 и соответственно две предкамеры 11 и 12, то за один оборот ротора 2 происходит два такта рабочего хода, что соответствует традиционному четырехцилиндровому четырехтактному двигателю.

Описанный выше двигатель может быть использован в комбинациях с одним, двумя, тремя, четырьмя и т.д. кулачковыми выступами ротора и соответственно с одной, двумя, тремя, четырьмя и т.д. предкамерами сгорания, а также в блоке из нескольких роторов.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого роторного двигателя, заключается в минимизации количества движущихся частей, поскольку движущими частями является только ротор и при двухкулачковом роторе - две подвижные перегородки, что позволяет упростить конструкцию, увеличить надежность работы двигателя и снизить его габариты и массу.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытой с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один кулачковый выступ, который имеет возможность скользить по цилиндрическому профилю статора, подвижные перегородки, поджатые к ротору, по меньшей мере, одну камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре кулачковым выступом и перегородками переменные внутренние объемы, отличающийся тем, что предкамера выполнена внутри ротора с отверстием на торцевой стороне ротора, закрываемым торцевой частью статора, а основной камерой является один из переменных внутренних объемов статора, причем на торцевой стороне статора выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, торцевой частью ротора и переменными внутренними объемами статора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что предкамера имеет свечу для воспламенения топливной смеси.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что свеча для воспламенения топливной смеси установлена в канавке статора.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит форсунку для подачи топлива.