Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння

1. Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить корпус з головною циліндричною порожниною, в якій концентрично встановлений ротор-поршень, що має радіальні виступи та радіальні заглибини на периферійній поверхні, що утворюють із внутрішніми стінками корпуса замкнуті сегментні порожнини, щонайменше дві камери згоряння, розміщені симетрично за межами головної циліндричної порожнини, кожна камера згоряння оснащена парою каналів у вигляді впускного каналу та випускного каналу, за допомогою яких ця камера згоряння з’єднується з головною циліндричною порожниною, причому вікно випускного каналу в головн у циліндричну порожнину кожної пари каналів зміщено відносно вікна впускного каналу цієї пари в головну циліндричну порожнину за напрямком обертання роторапоршня, та між цими вікнами встановлені радіально рухомі розділові лопатки, що прилягають до периферійної поверхні ротора-поршня, вихлопні та всмоктувальні канали, попарно та симетрично розміщені між парами впускних і випускних каналів, причому вікно в головну циліндричну порожнину всмоктувального каналу в кожній парі з всмоктувального та вихлопного каналу зміщено відносно вікна вихлопного каналу цієї пари в головну циліндричну порожнину за напрямком обертання ротора-поршня, та між цими вікнами встановлені радіально рухомі розділові лопатки, що прилягають до периферійної поверхні роторапоршня, який відрізняється тим, що кожна камера згоряння виконана у вигляді трьох ізольованих одна від одної секцій з можливістю циклічного дискретного проходження кожною секцією наступних фаз: - впуск, у якій порожнина секції з'єднана з впускним каналом, згоряння, у якій порожнина секції замкнена; 2 (19) 1 3 25334 Корисна модель відноситься до пневматичних машин об'ємного витиснення, зокрема, до двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Роторні двигуни являються альтернативою звичайних чотиритактних ДВЗ. Звичайно роторний двигун містить ротор-поршень, що обертається всередині корпуса та нагнітає повітря або паливно-повітряну суміш у камеру згоряння, де відбувається згоряння та потім здійснюється робочий хід за рахунок енергії продуктів згоряння [див., наприклад, патент США №3,040,530, 1962, патент США №3,579,733, МКВ F02В, 1996, патент США №5,579,733, 1996р., США №6,241,499, 2001р., США №6,530,357, 2003р. та ін.]. У патенті США №3,040,530, 1962, описаний роторно-поршневий ДВЗ, що містить корпус із внутрішньою циліндричною порожниною та бічними кришками, в якій концентрично з можливістю обертання встановлений ротор-поршень, який має бічні поверхні, два радіальні виступи та дві радіальні западини, причому бічні поверхні ротора-поршня щільно прилягають до бічних кришок, радіальні виступи ротора-поршня щільно прилягають до внутрішньої циліндричної поверхні порожнини корпуса; вп ускні та випускні канали; дві розділові лопатки, встановлені у внутрішній циліндричній порожнині корпуса між вхідним і вихідним каналами та підпружинені в напрямку ротора-поршня розділові лопатки, розташовані між впускним і випускним каналами з можливістю радіального переміщення. Корпус обладнаний також камерою згоряння. Ротор-поршень і розділові лопатки розділяють внутрішню порожнину на чотири камери, у кожній з яких здійснюються такти впуску, нагнітання, робочого ходу та випуску ДВЗ. Недоліком такої конструкції являється наявність значного тертя між розділовими лопатками та поверхнею ротора, що приводить до інтенсивного зносу їхніх поверхонь і, як наслідок, обумовлює низький ресурс роботи двигуна. У патенті США №3,579,733, МКВ F02В, 1996, описаний роторний двигун внутрішнього згоряння, що містить корпус із внутрішньою циліндричною порожниною та бічними кришками, в якій концентрично з можливістю обертання встановлений ротор-поршень, що має бічні поверхні, два радіальних виступи і дві радіальні западини, причому бічні поверхні ротора-поршня щільно прилягають до бічних кришок, радіальні виступи ротора-поршня щільно прилягають до внутрішньої циліндричної поверхні порожнини корпуса. Камера згоряння розміщена за межами внутрішньої циліндричної порожнини та сполучається з нею за допомогою вхідного і ви хідного каналів, обладнаних керованими золотниками. Двигун містить також впускні та випускні канали, дві розділові лопатки, встановлені у внутрішній циліндричній порожнині корпуса між вхідним і вихідним каналами та між впускним і випускним каналами з можливістю радіального переміщення. Розділові лопатки з радіальними западинами ротора-поршня, внутрішньою поверхнею циліндричної порожнини корпуса та бічними кришкам утворюють робочі порожнини. Двигун обладнаний 4 механізмом керування розділовими лопатками, який відводить і підводить розділові лопатки синхронно з обертанням ротора так, що забезпечується їхній щільний контакт із поверхнею ротора, однак без значного механічного навантаження між контактуючими поверхнями. При роботі цього двигуна одночасно відбувається робочий хід у прилягаючій до камери згоряння робочій камері, такт випуску в наступній по ходу обертання ротора робочій порожнині, такт стиску в інший прилягаючій до камери згоряння робочій порожнині, та такт випуску в попередній їй робочій порожнині. Як тільки тиск в робочій порожнині, де відбувається робочий хід, зрівняється з тиском у робочій порожнині, де відбувається такт стиску, відбувається одночасне закриття вихідного каналу камери згоряння та відкриття вхідного каналу камери згоряння. В цей момент ще не відбулося повне очищення камери згоряння й у ній ще є помітний надлишковий тиск. Це означає, що подальший стиск повітря або паливно - повітряної суміші відбувається за рахунок гальмування ротора, а свіжа порція паливно-повітряної суміші буде забруднена продуктами згоряння, що залишилися у камері згоряння від попереднього циклу. В результаті, в роботі двигуна спостерігається помітна нерівномірність крутного моменту, а також відбувається зниження енергетичної ефективності двигуна в цілому через погіршення умов згоряння суміші в камері згоряння. Одним з удосконалень цього двигуна являється ДВЗ Ярошенко В.П., патент США №6,530,357, 2003р., що містить корпус з головною циліндричною порожниною, в якій концентрично встановлений ротор - поршень. Ротор-поршень має радіальні виступи і радіальні западини на периферійній поверхні, що разом із внутрішніми стінками корпуса утворюють замкнуті сегментні порожнини. Симетрично за межами головної циліндричної порожнини розміщені пари камер згоряння, кожна з яких обладнана парою каналів у виді впускного каналу і випускного каналу, за допомогою яких ця камера згоряння сполучається з головною циліндричною порожниною. Вікно випускного каналу в головну циліндричну порожнину кожної пари каналів зміщено відносно вікна впускного каналу цієї пари в головну циліндричну порожнину по напрямку обертання ротора-поршня та між цими вікнами встановлена радіально рухома розділова лопатка, що прилягає до периферійної поверхні роторапоршня. Впускні та випускні канали обладнані керованими клапанами механізму газорозподілу. Симетрично між парами впускних і випускних каналів знаходяться пари вихлопних і всмоктувальних каналів. У кожній такій парі вікно в головну циліндричну порожнину всмоктувального каналу зміщено відносно вікна вихлопного каналу цієї пари в головну циліндричну порожнину по напрямку обертання ротора-поршня та між цими вікнами встановлена радіально рухома розділова лопатка, що прилягає до периферійної поверхні роторапоршня. В цьому двигуні ротор-поршень обертається навколо своєї осі всередині головної циліндричної 5 25334 порожнини, здійснюючи наступний цикл роботи в кожній сегментній порожнині, утвореною рельєфною поверхнею ротора - поршня та внутрішніх стінок головної циліндричної порожнини. Коли виступ ротора-поршня проходить вікно всмоктувального каналу об'єм сегментної порожнини починає збільшуватися та у ній здійснюється такт всмоктування, при якому повітряна суміш через всмоктувальний канал надходить у цю сегментну порожнину, що збільшується. Потім ця сегментна порожнина відтинається від всмоктувального каналу наступним виступом ротора-поршня та її вміст виштовхується в камеру згоряння через впускний канал камери згоряння та відкритий впускний клапан у цьому каналі. Клапан у вип ускному каналі цієї камери згоряння закритий і здійснюється такт стиску повітряної суміші. В цей час у суміжній камері згоряння відбувається згоряння раніше закачаної в неї паливно-повітряної суміші, та продукти згоряння через випускний канал і відкритий випускний клапан цієї камери надходять у попередню сегментну порожнину здійснюючи тим самим робочий хід. Впускний клапан цієї камери згоряння в цей момент закритий. Після проходження гребенем ротора-поршня розділової лопатки між впускним та випускним каналами стиснута паливно - повітряна суміш у цій камері згоряння займається та продукти згоряння надходять у сегментну порожнину за розділовою лопаткою через випускний канал і відкритий випускний клапан - здійснюється робочий хід. Впускний клапан цієї камеризгоряння в цей момент закритий. Коли цей гребінь проходить вікно вихлопного каналу продукти згоряння цього сегмента витісняються назовні наступним гребенем, що набігає на розділову лопатку між всмоктувальним та вихлопним каналами - відбувається такт ви хлопу. Таким чином, якщо цей двигун має роторпоршень із шістьма гребенями та чотирма парами камер згоряння, то за один оборот ротора-поршня здійснюється 24 робочі ходи, за рахунок чого забезпечується висока рівномірність ходу роторапоршня. Крім того, процес стиску в цьому двигуні здійснюється в практично цілком очищену від продуктів згоряння камеру згоряння при початковому тиску рівному або близькому до тиску навколишнього середовища, тобто атмосферному, за рахунок чого досягається висока ефективність використання енергії продуктів згоряння паливноповітряної суміші. Однак цей двигун містить велику кількість нелінійно розташованих керованих клапанів, що значно ускладнює його конструкцію та вимагає значних витрат енергії на керування ними. Так, у двигуні з чотирма парами камер згоряння повинне бути 16 клапанів, для керування якими потрібно щонайменше 4 розподільних вали або інших пристроїв, розміщених по окружності навколо корпуса двигуна. Крім того, згоряння паливно-повітряної суміші відбувається одночасно з випуском продуктів згоряння в сегментну порожнину, що приводить до зниження ефективності використання паливноповітряної суміші, тому що її частина захоплюєть 6 ся продуктами згоряння та виноситься з зони з оптимальними умовами згоряння. Задачею даної корисної моделі являється усунення зазначених недоліків і створення безклапанного роторно-поршневого ДВЗ, у якому буде забезпечене повне згоряння паливно-повітряної суміші в оптимальних умовах. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому роторно-поршневому двигуні внутрішнього згоряння, що містить корпус з головною циліндричною порожниною, у якій концентрично встановлений ротор-поршень, що має радіальні виступи та радіальні западини на периферійній поверхні, що утворюють із внутрішніми стінками корпуса замкнуті сегментні порожнини, щонайменше дві камери згоряння, розміщені симетрично за межами головної циліндричної порожнини, кожна камера згоряння обладнана парою каналів у виді впускного каналу і випускного каналу, за допомогою яких ця камера згоряння сполучається з головною циліндричною порожниною, при цьому вікно випускного каналу в головну циліндричну порожнину кожної пари каналів зміщено відносно вікна впускного каналу цієї пари в головну циліндричну порожнину по напрямку обертання ротора-поршня, та між цими вікнами встановлена радіально рухома розділова лопатка, що прилягає до периферійної поверхні ротора-поршня, вихлопні та всмоктувальні канали, попарно і симетрично розміщені між парами впускних і вип ускних каналів, при цьому вікно в головну циліндричну порожнину всмоктувального каналу в кожній парі з впускного та випускного каналу зміщено відносно вікна вихлопного каналу цієї пари в головну циліндричну порожнину по напрямку обертання ротора-поршня, та між цими вікнами встановлена радіально рухома розділова лопатка, що прилягає до периферійною поверхнею ротора-поршня, кожна камера згоряння виконана у виді трьох ізольованих друг від друга секцій з можливістю циклічного дискретного проходження кожною секцією наступних фаз: - впуск, у якій порожнина з'єднана з впускним каналом, - згоряння, у якій порожнина замкнена, - випуск, у якій порожнина з'єднана з випускним каналом. Переважно, згадані секції камери згоряння утворені внутрішньою поверхнею розподільної циліндричної порожнини та поверхнями западин між гребенями розподільного ротора, зв'язаного з приводом циклічних дискретних поворотів на 120° і встановленого в розподільній циліндричній порожнині, що сполучається з циліндричною порожниною корпуса за допомогою впускного каналу та випускного каналу, при цьому вікно впускного каналу в розподільну порожнину зміщено відносно вікна випускного каналу в цю порожнину по напрямку обертання розподільного ротора, та між цими вікнами розміщена вершина перегородки між западинами розподільного ротора, коли він знаходиться в стаціонарному положенні. Розподільна порожнина обладнана свічею запалювання та форсункою для впорскування палива, що зміщені відносно вікна впускного каналу в 7 25334 цю порожнину на кут близько 120° по напрямку обертання розподільного ротора. Як привід циклічних дискретних поворотів може бути використаний будь-який відомий механізм, що забезпечує такі повороти, наприклад, механізм на основі мальтійського хреста. Оптимальним являється таке настроювання привода циклічних дискретних поворотів, при якому забезпечується початок повороту розподільного ротора камери згоряння на 120° в момент часу TS ³ TC , а закінчення цього повороту в момент часу TF £ TO , де: TC - момент повного перекриття радіальним виступом ротора - поршня вікна впускного каналу в циліндричну порожнину даної камери згоряння; TO - момент початку відкриття радіальним виступом ротора - поршня вікна випускного каналу даної камери згоряння в циліндричну порожнину. Корисна модель пояснюється за допомогою креслень, на яких показані: - на Фіг.1 - схематичне зображення одного з варіантів реалізації пристрою, що заявляється, що включає чотири камери згоряння та ротор - поршень із шістьма гребенями; - на Фіг.2 - збільшений фрагмент зображення за Фіг. 1, що деталізує елементи камери згоряння. Двигун містить корпус 1 з головною циліндричною порожниною, в якій концентрично встановлений ротор-поршень 2, що має шість радіальних виступів 3 та радіальні западини між ними, що утворюють із внутрішніми стінками корпуса замкнуті сегментні порожнини 4 (Фіг.1). Симетрично за межами головної циліндричної порожнини знаходяться чотири камери згоряння 5, кожна з яких за допомогою впускного каналу 6 і випускного каналу 7 сполучається з головною циліндричною порожниною. Випускні канали 7 мають вікна 8 у головній циліндричній порожнині, що зміщені відносно вікон 9 впускних каналів 6 у головну циліндричну порожнину в кожній парі цих каналів по напрямку обертання ротора-поршня 2. Між вікнами 8 і 9 кожної пари встановлені радіально рухомі розділові лопатки 10, що прилягають до периферійної поверхні ротора-поршня 2. Двигун має також вихлопні канали 14 і всмоктувальні канали 13, попарно і симетрично розміщені між парами впускних каналів 6 і випускних каналів 7. Всмоктувальні канали 13 мають вікна 12 у головній циліндричній порожнині, що зміщені відносно вікон 11 вихлопних каналів 14 по напрямку обертання ротора-поршня 2 у кожній парі вихлопних каналів 14 і всмоктувальних каналів 13. Між вікнами 11 і 12 встановлені радіально рухомі розділові лопатки 15, що прилягають до периферійної поверхні ротора-поршня 2. Кожна камера згоряння виконана у виді розподільної циліндричної порожнини 16, у якій встановлений з можливістю обертання розподільний ротор 17, що має три гребені 18, що разом із внутрішніми стінками порожнини 16 утворюють три ізольованих одна від одної секції 19, 20 і 21 (Фіг.2). Розподільні ротори 17 зв'язані з приводом циклічних дискретних поворотів на 120°; (на Фіг. не пока 8 заний). Кожна розподільна циліндрична порожнина 16 сполучається з головною циліндричною порожниною корпуса 1 через впускне вікно 22 і впускний канал 6, а також через випускне вікно 23 і випускний канал 7. Вікно 22 впускного каналу 6 зміщено відносно вікна 23 випускного каналу 7 по напрямку обертання розподільного ротора 17 та між цими вікнами розміщена вершина одного з гребенів 18 коли ротор 17 знаходиться в стаціонарному положенні. У розподільній порожнині встановлена свіча запалювання 24 і форсунка 25 для впорскування палива, що зміщені відносно впускного вікна 22 на кут близько 120° по напрямку обертання розподільного ротора 17. Привід циклічних дискретних поворотів розподільних роторів 17 може бути виконаний будь-яким відомим способом так, щоб забезпечувався початок повороту розподільного ротора камери згоряння на 120° в момент часу TS ³ TC , а закінчення цього повороту в момент часу TF £ TO , де: TC - момент повного перекриття радіальним виступом 3 ротора-поршня 2 вікна 9 впускного каналу 6 у порожнину даної камери згоряння; TO - момент початку відкриття радіальним виступом 3 ротора-поршня 2 вікна 8 випускного каналу 7 даної камери згоряння. Працює двигун таким чином. Ротор-поршень 2 обертається в головній циліндричній порожнині корпуса 1 і його виступи 3 сковзають по внутрішній циліндричній поверхні головної циліндричної порожнини без можливості перетікання газу через області контакту цих елементів. Розділові лопатки 10 і 15 також сковзають по поверхні роторапоршня без можливості перетікання газу через області їхнього контакту з поверхнею роторапоршня 2. В результаті сегментні порожнини 4 виявляються ізольованими друг від друга і мають перемінні об'єми при обертанні ротора-поршня 2. Коли виступ 3 ротора-поршня 2 пройде вікно 12 всмоктувального каналу 13 за ним утворюється сегментна порожнина 4, обмежена стінками ротора-поршня, головної циліндричної порожнини та рухомої перегородки 15. Об'єм цієї порожнини збільшується по мірі видалення виступу 3 від рухомої перегородки 15. В результаті розрідження, що створюється, відбувається всмоктування повітря через всмоктувальний канал 13, другий ви хід якого приєднаний до системи живлення двигуна (на Фіг. не показана). Так здійснюється такт всмоктування. Подальше обертання ротора приводить до того, що перший виступ 3 пройде вікно 9 впускного каналу 6, а наступний за ним виступ 3 роторапоршня 2 перекриє вікно 12 всмоктувального каналу 13. Подальше обертання ротора-поршня приводить до скорочення об'єму заповненої повітрям сегментної порожнини, в результаті чого це повітря стискується та нагнітається в секцію 21 камери згоряння, що в цей період часу сполучається з цією сегментною порожниною, тобто здійснюється такт стиску. Коли виступ 3, що набігає на впускне вікно 9 цього впускного каналу 6, ротора-поршня 2 пере 9 25334 криває це вікно 9, розподільний ротор 17 дискретно повертається на 120° та ізолює стиснуту порцію повітря в герметичній секції 19 камери згоряння. В той момент, коли розподільний ротор 17 вже перекрив вікно 22 впускного каналу 6, але ще не зайняв наступного стаціонарного положення, впускний канал 6 через герметичну секцію, що набігає, виявляється з'єднаним на короткий час з випускним каналом 7, що в цей момент через випереджальну сегментну порожнину 4 ще з'єднаний з вихлопним каналом 14. Порція стиснутого повітря, що запасена в впускному каналі 6, розряджається через сполучені між собою герметичну секцію, що набігає, випускний канал 7, сегментну порожнину 4 і вихлопний канал 14, тобто відбувається їхня продувка та очищення від відпрацьованих продуктів згоряння. У цей же час у заповнену стисненим повітрям секцію розподільного ротора виробляється впорскування палива через форсунку 25 і запалення паливно-повітряної суміші за допомогою свічі запалювання 24. Паливно-повітряна суміш у цій герметичній секції згоряє при постійному обсязі з утворенням продуктів згоряння при високому тиску, що виявляються замкненими в цілком ізольованій секції розподільного ротора. Коли розподільний ротор займає стаціонарне положення випереджальна секція цієї камери згоряння, заповнена під високим тиском продуктами згоряння попередньої порції паливно-повітряної суміші, виявляється відкритою в випускний канал 7, через який розряджається в зростаючу сегментну порожнину 4, розташовану після рухомої перегородки 10 і тиск у порожнині 4 різко зростає. Тангенціальна складова результуючої сили дії продуктів згоряння на стінки сегментної порожнини Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 10 створює обертаючий момент і відбувається робочий хід ротора-поршня 2. Коли робочий хід наближається до завершення, відкривається вікно 11 вихлопного каналу 14 і скидається тиск, відбувається вихлоп і продувка камери згоряння та робочої сегментної порожнини від відпрацьованих продуктів згоряння, а потім випускний канал відтинається виступами 3. Подальше обертання ротора-поршня приводить до скорочення об'єму цієї сегментної порожнини і до витиснення з її продуктів згоряння паливно-повітряної суміші в вихлопну систему двигуна. Таким чином, в кожен момент часу в двигуні здійснюється 2 робочі ходи, а за один оборот ротора-поршня відбувається 24 робочі ходи, що забезпечує високу рівномірність крутного моменту на валу двигуна. Крім того, в двигуні відсутні клапани для керування його роботою. Механізм дискретного повороту розподільних роторів, що заміщає клапанну систему, не містить навантажених елементів типу пружин, а включає в якості керованих елементів урівноважені розподільні ротори, для повороту яких затрачається енергія тільки на подолання сил тертя. Дана корисна модель не обмежена приведеним в описі прикладом і відноситься до будь-яких зрозумілих для фахівця втіленнях, що випливають з формули корисної моделі. Так, двигун може мати іншу кількість гребенів у роторі-поршні або іншу кількість камер згоряння, паливо може подаватися в двигун не тільки через форсунку, але й у виді вже підготовленої паливно-повітряної суміші, двигун може бути обладнаний системою охолодження і т.п. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601