Роторний двигун внутрішнього горіння

Винахід відноситься до техніки двигунів внутрішнього горіння (ДВГ) і може бути використаний у транспортних засобах, сільськогосподарській та побутовій техніці. Серед ДВГ найбільш поширеним є поршневий двигун з шатунами та колінвалом. В останні десятиліття зростає випуск роторно-поршневих двигунів Ванкеля, котрі мають перед поршневими ряд переваг, насамперед, простоту конструкції, малу відносну масу та габарити, та інше. Але двигун Ванкеля також має свої недоліки, серед яких малий коефіцієнт стиснення. Цей недолік ускладнює створення дизельного двигуна Ванкеля. Тому продовжується пошук інших конструктивних рішень роторних ДВГ. Найбільший пошук зосереджується навколо ідеї двигуна з кільцевою робочою камерою та поршнями - заслінками (в більшості патентів використовують термін "лопать" (англ. vane)), котрі поділяють камеру на окремі ізольовані порожнини. При відносному переміщенні заслінок об'єми порожнин змінюються, що використовують для організації робочого процесу двигуна. Така геометрія робочих органів двигуна дозволяє позбавитись основного недоліку двигуна Ванкеля. Успіх здійснення цієї ідеї буде залежати від того, чи пощастить при цьому зберегти переваги двигуна Ванкеля. Як свідчить розгляд патентів, виданих на роторні двигуни, використання цієї ідеї йде за таким напрямком. По-перше, більшість патентів видана на винаходи двигунів, у яких заслінки переміщуються (обертаються) в одному напрямку і, окрім того, здійснюють коливання одна відносно другої сусідньої. Завдяки обертанню здійснюються цикли ДВГ без використання механізму газорозподілу, завдяки коливанню здійснюється робочий процес двигуна. Ця ідея реалізована в патентах: Франції МКВ F02B53/00 №8903433 опубл. 14.09.90; США МКВ F02B53/00 №4901694 опубл. 20.02.90; Франції МКВ F02B53/02 №8611792 опубл. 19.02.88. та інших. Це добра ідея, але вона передбачає жорсткий кінематичний зв'язок заслінок між собою, а також з валом двигуна, що потребує складних механізмів. Це ускладнює конструкцію двигуна. Подруге, частина патентів видана на винаходи двигунів, у яких заслінки здійснюють тільки коливання одна відносно другої - сусідньої. Ця ідея реалізована в патентах: НДР МКВ F02B53/02 №277300 опубл. 28.03.90; США МКВ F02B53/00 №4738235 опубл. 19.04.88; ФРН МКВ F02B53/00 №Р3705313 опубл. 08.10.87, та інших. Така ідея також передбачає використання складних механізмів. Крім того, вона потребує механізму газорозподілу. Тому така ідея менш перспективна ніж перша. Для здійснення кінематичного зв'язку у наведених патентах використовують кулісні, кривошипні, ексцентричні, ричажні механізми, колінвали, планетарні передачі, еліптичні зубчаті колеса та інше. По-третє. В патенті США МКВ F02B53/00 №4744736 опубл. 17.05.88 запропоновано роторний двигун, у якому заслінки обертаються в одному напрямку, по черзі. Цей двигун складається з двох однакових кільцевих камер. У кожній камері на двох валах розміщені чотири заслінки (по дві на зовнішній поверхні кожного). Вали розміщені уздовж вісі камери, один продовж другого. Всередині валів розміщено вихідний вал двигуна. В процесі роботи двигуна вали по черзі гальмуються і обертаються: якщо один загальмований, то другий в цей час обертається на півоборота, і навпаки. Такий рух заслінок дозволяє обійтися без механізму газорозподілу і значно спростити механізми двигуна в порівнянні з попередніми патентами. В цьому двигуні (патент США №4744736) використовують для кожної кільцевої камери дві муфти вільного ходу та один диференціальний механізм на конусних шестернях. Кожна муфта вільного ходу призначена для гальмування обертання одного валу із заслінками в зворотньому напрямку. Диференціальний механізм зв'язує обертання трьох валів: двох із заслінками і вихідного. Кожна кільцева камера з валами, заслінками, муфтами, диференціальним механізмом є окремий двигун. В патенті №4744736 такі дві конструкції об'єднані в один двигун, що дозволяє, як стверджується в патенті, гасити реактивні сили. Муфти вільного ходу мають обмежене число циклів навантаження, завдяки чому термін служби цього двигуна буде значно меншим за термін служби двигуна Ванкеля. Особливістю диференціального механізму є те, що в ньому уздовж вісі кожної шестерні діятимуть значні, розмірні з силами тиску на заслінки, сили. Це змусить ставити міцні упорні підшипники щоб виключити посування шестерень та валів із заслінками. Такі недоліки значно зменшують переваги цієї конструкції. Крім використання кільцевої камери з рухомими заслінками, що є ознакою всіх двигунів з наведених патентів, для двигуна патента №4744736 на відміну від інших характерні такі ознаки, що збігаються з ознаками пропонуючого двигуна: розміщення вихідного валу в середині роторів-валів, концентрично з ними; відсутність механізму забезпечити детермінованого взаємоположення заслінок різних роторів-валів; використання тиску стисненої паливної суміші або стисненого повітря для здійснення обертання роторів-валів по черзі, що забезпечує роботу двигуна. Було поставлено завдання розробити простий, дешевий дизельний ДВГ, Було визначено, що таким може бути роторний ДВГ з кільцевою робочою камерою і рухомими заслінками. При розробці переслідувалась ціль зменшити число деталей і вибрати такі конструктивні рішення, щоб виконати поставлене завдання. Пропонуючий двигун має багато спільного з попередньо переліченими патентами, тому всі ці патенти є його аналоги. Насамперед, основою пропонуючого двигуна являється кільцева камера з рухомими заслінками, які поділяють камеру на окремі ізольовані порожнини змінних об'ємів. В кільцевій камері розміщені два вали-ротори, на яких закріплені заслінки (на кожному однакове число заслінок). Ротори обертаються по черзі, тому прототипом пропонуючому двигуну є патент США №4744736, але на відміну від нього використовується лише одна кільцева камера. Основна ж відмінність стосується того механізму, завдяки якому здійснюється обертання роторів по черзі. В пропонуючому двигуні діє механізм жорсткого механічного з'єднання кожного ротору з корпусом двигуна та з вихідним валом двигуна по черзі: якщо один ротор з'єднаний з корпусом, то він в цей час разом з його заслінками загальмований, другий ротор в цей час з'єднаний з вихідним валом і обертається разом з ним, і навпаки. Процес роз'єднання з'єднання кожного ротору здійснюється при наближенні заслінок одного ротору до заслінок другого і діє автоматично. Механізм складається: з двох (або більше) наскрізних отворів, пророблених в кожному роторі таким чином, що один кінець кожного отвору виходить до поверхні корпусу двигуна, а другий - до поверхні вихідного валу; із засувів, розміщених у вищезгаданих отворах; із заглиблень в поверхні корпусу та валу. Наскрізні отвори мають однакові поперечні перерізи круглої, прямокутної або іншої форми. Засув є довгасте тіло, поперечний переріз якого майже збігається з перерізом отвора, завдяки чому засув може повільно посуватися уздовж отвору і не може переміщуватись в інших напрямках. Заглиблення в поверхні корпусу розміщені таким чином, що при певному повороті кожного ротору його засуви мають можливість, посуваючись в отворі, увійти в ці заглиблення; так здійснюється з'єднання ротору з корпусом. Заглиблення в поверхні вихідного валу розміщені таким чином, що при певному повороті вихідного валу відносно ротору його засуви мають можливість, посуваючись в отворі, увійти в ці заглиблення; так здійснюється з'єднання ротору з вихідним валом. Таким чином, засув має дві основні позиції: в першій - засув одним кінцем заглиблений в корпус, а другим торкається поверхні вихідного валу, при цьому ротор загальмований, в другій засув одним кінцем торкається поверхні корпусу, а другим заглиблений у вихідний вал, при цьому ротор має можливість обертатися разом з вихідним валом. В процесі роботи двигуна засув, посуваючись в отворі, по черзі переходить з однієї позиції в другу. Цей перехід відбувається при наближенні заслінок одного ротору до заслінок другого та завдяки тому, що заглиблення на поверхнях корпусу та вихідного валу мають пологі схили. Фіг.1 схематично зображує поздовжній переріз двигуна. Це зображення для наочності складається з двох перерізів: переріза корпусу та лівого ротору площиною В - В (фіг.2); переріза вихідного валу та правого ротору площиною С - С (фіг.2). Площина В В перетинає на корпусі форсунки та заглиблення, на лівому (загальмованому) роторі наскрізні отвори та засуви. Площина С - С перетинає на вихідному валі заглиблення, на правому роторі наскрізні отвори та засуви. Перетин обох площин збігається з віссю двигуна, яка є також віссю вихідного валу. Фіг.2 схематично зображає поперечний переріз двигуна площиною А - А (фіг.1), яка збігається з правою боковою стінкою кільцевої камери двигуна. Фіг.3 зображає ротор з двома заслінками. Фіг.4, 5 зображають дві проекції вихідного валу з диском. Фіг.6, 7, 8, 9 схематично зображають переріз двигуна в різних фазах взаємодії роторів циліндричною поверхнею радіуса R (фіг.1, 2), розвинутий на площину. Двигун складається з корпусу 1, вихідного валу з диском 2, двох роторів 3 з заслінками 10, чотирьох засувів 4, розміщених в чотирьох наскрізних отворах 5 роторів та двох форсунок 6. Корпус, вихідний вал з диском, ротори є тіла обертання. Ротори розміщені на вихідному валі по обидва боки відносно його диску і можуть вільно обертатися один відносно другого та відносно валу. Вихідний вал з роторами розміщений в корпусі і може вільно обертатися відносно корпусу. На внутрішніх бокових поверхнях корпусу вироблені по два заглиблення 7, положення цих заглиблень відповідає визначеному відносно форсунок фіксованому положенню заслінок загальмованого ротору. Форсунки повинні бути поряд загальмованих заслінок. На обох бокових поверхнях диску вихідного валу вироблені по два заглиблення 8 таким чином, що при обертанні валу в деякий момент заглиблення лівої сторони диску повинні бути напроти заглиблень лівої частини корпусу, а заглиблення правої сторони диску напроти заглиблень правої частини корпусу (фіг.1). Глибина всіх заглиблень 7, 8 повинна бути однаковою. Довжина засува складатиметься з довжини отвора ротору, глибини заглиблення та ширини двох щілин (корпус - ротор, ротор - диск). (Щілини на фігурах не позначені). Частина внутрішньої поверхні корпусу, циліндричної поверхні роторів утворюють замкнену кільцеву камеру 9, яку чотири заслінки 10 поділяють на чотири окремі ізольовані порожнини (9/1, 9/2, 9/3, 9/4). Для виходу вихлопних газів з порожнин (9/1, 9/3) і входу повітря в порожнини (9/2, 9/4) в кільцевій камері приблизно посередині між форсунками пророблені отвори (11, 12). Вони розміщені таким чином, що заслінка при обертанні ротору спочатку проходить повз отвір (11) для вихлопу, а потім повз отвір (12) для повітря. Ротори двигуна обертаються по черзі. На фіг.1 лівий ротор загальмований, він з'єднаний з корпусом засувами цього ротору, заглибленими в корпус, правий ротор обертається разом з вихідним валом, він з'єднаний з диском валу засувами цього ротору, заглибленими в диск. На фіг.2 заслінки рухомого ротору знаходяться на шляху до вихлопних отворів 11. В порожнинах 9/1, 9/3 відбувається процес розширення розжарених газів. Завдяки тиску цих газів на рухомі заслінки здійснюється робота двигуна. В порожнинах 9/2,9/4 в цей час відбувається процес повітряної вентиляції: повітря через отвір 11 надходить до цих порожнин і виходить через отвір 12. Цей процес відбувається до моменту, коли при певному повороті ротору рухомі заслінки пройдуть поряд з отворами 11 і відкриють порожнини 9/1, 9/3 для виходу спрацьованих газів. Слідом за тим рухомі заслінки пройдуть поряд з отворами 12, порожнини 9/2, 9/4 ізолюватимуться і в них почнеться процес стиснення повітря. Цей процес відбуватиметься до такого наближення заслінок двох роторів, при якому рухомий ротор загальмується, а загальмований почне рухатись. При певному зближенні заслінок через форсунки в простір між ними буде подано паливо, відбудеться його самозаймання, різко зросте тиск газів. Така послідовність процесів в робочій камері властива двотактному двигуну. Фіг.6, фіг.7, фіг.8, фіг.9 зображають дію механізму роз'єднання - з'єднання роторів з корпусом та валом. Ламана лінія зображає можливий профіль заглиблення, та його схили, засув при з'єднанні ротору з корпусом торкається точок корпусу, при з'єднанні з диском - також точок диску. Механізм з'єднання роторів з корпусом та вихідним валом діє тільки на відстані між заслінками. При наближенні однієї заслінки до другої, загальмованої, і подальшому скороченні відстані між ними механічне з'єднання порушується. Критична відстань між заслінками, при якій порушується з'єднання, зумовлюється довжиною пологих схилів до заглиблень. Механічне з'єднання діє, доки засуви опиратимуться на рівні поверхні диску чи корпусу. Механічне з'єднання порушується, коли засуви починають опиратися на схили. Завдяки тиску газів на заслінки один ротор, якщо він буде роз'єднаний, почне гальмуватись, а другий, при тій же умові - рухатись. Таким чином, досі заглиблені кінці засувів почнуть ковзати по схилам При цьому засуви будуть також посуватись по отворам, другий кінець буде ковзати по схилам Цей процес закінчиться тим, що засуви увійдуть в заглиблення і виникне нове з'єднання. Фіг.6 зображає момент, який відповідає фіг.1, фіг.2, коли ротори з'єднані (лівий - з корпусом, правий - з диском валу). Фіг.7 зображає момент початку роз'єднання роторів (лівого - з корпусом, правого - з валом), цей момент наступає тоді, коли лінія aa диску переходить лінію корпусу, засуви починають опиратися на схили і одержують можливість посуватись уздовж своїх отворів. Фіг.8 зображає момент переходу, коли ротори вже роз'єдналися з корпусом та валом, їх місцезнаходження визначається силами інерції та тиском газів між заслінками. При цьому положення роторів взагалі не може бути визначене; можна визначити лише межі області можливих положень роторів. На фіг.8 такі крайні положення якраз зображені. Вони визначатимуться так: ротор рухатиметься таким чином, що його засуви будуть ковзати впродовж схилам доки не зіткнеться з схилом ba другого заглиблення. Таке положення ротор буде займати при швидкості обертання валу, яка не перевищує деякої критичної швидкості. Якщо швидкість обертання буде більше критичної, та засув ротору буде займати положення між початковим (заглибленим) та крайнім (фіг.8). Фіг.9 зображає кінець процесу роз'єднання - з'єднання, коли той ротор, що був з'єднаний з корпусом, з'єднався з валом, а той, що був з'єднаний з валом, з'єднався з корпусом.