Роторний двигун внутрішнього згорання

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве насоса, компрессора или двигателя внутреннего сгорания в составе любых энергетических установок или транспортных средств. Известна аналогичная роторная машина, выполненная в виде двигателя внутреннего сгорания. Роторная машина имеет полый корпус, образующая внутренней полости которого выполнена по конхоиде. Внутри корпуса эксцентрично установлен полый ротор, имеющий диаметрально расположенные четыре лопатки, делящие рабочий объем на четыре камеры. Лопатки кинематически связаны с коленчатыми валами, установленными в корпусе. Ротор содержит внутренний барабан, внешний синхронизирующий механизм с Зубчатой передачей. Рабочий цикл осуществляется четырехтактным способом [Авт.св. СССР № 1518550, кл. F 01 С 1/00; F 02 В 53/00]. Роторная машина такой конструкции имеет ряд недостатков, главным из которых является сложность конструкции вследствие наличия сложнопрофильного корпуса, четырех лопаток, четырех коленчатые валов с кинематическими цепями и внутреннего барабана в роторе. Рабочий ход длится менее 90° оборота выходного вала, а горючая смесь содержит высокий процент отработавших газов, что приводит к потере мощности и перерасходу рабочего тела, из-за чего КПД не превышает 40%. Наряду с перечисленными недостатками, обладая большим количеством составных частей сложной конфигурации и профилей, роторная машина не технологична в производстве и имеет высокую себестоимость изготовления и эксплуатации. Наиболее близким по технической сути является роторно-поршневой двигатель (ВАНКЕЛЯ), корпус которого имеет сложный двухэпитрохоидальный профиль общего объема рабочих камер, сложнопрофильный треугольный ротор, установленный на эксцентриковом валу, совершающий сложное планетарное вращательное движение, которое создается обкатыванием закрепленной в роторе шестерни вокруг шестерни, неподвижно установленной в корпусе. Ротор делит общий объем на три рабочие камеры, в которых трижды последовательно совершается рабочий цикл [Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, ЬЛ„ "Машиностроение", 1983]. Роторно-поршневой двигатель (ВАНКЕЛЯ) обладает рядом недостатков, наиболее существенным из которых является низкий КПД, не превышающий 35%, за счет того, что трижды повторяющийся 4-тактный рабочий цикл приводит только к одному обороту выходного вала, из-за чего происходит также перерасход рабочего тела. Кроме того, этот двигатель характеризует достаточно сложная конструкция из-за наличия сложнопрофильного корпуса и сложнопрофильного треугольного ротора; повышенный износ в местах касания ротора со стенками корпуса вследствие больших напряжений в этих точках, в результате чего поверхности не подлежат восстановлению; нетехнологичности изготовления вследствие наличия сложнопрофильных узлов; высокая себестоимость изготовления и эксплуатации. В основу изобретения поставлена задача создания двигателя внутреннего сгорания, в котором КПД достигает 60%, при этом достигается снижение расхода рабочего тела, статических и динамических нагрузок, увеличивается рабочий ресурс, улучшается технологичность производства и эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в роторном двигателе, содержащем корпус, установленный в корпусе ротор, связанный с выходным валом, впускные и выпускные окна, рабочие камеры расширения и выпуска, системы охлаждения, смазки и зажигания, согласно изобретению, корпус выполнен в виде цилиндрических блока рабочего хода и блока формирования топливного заряда, связанных между собой топливно-воздушной магистралью с запорным клапаном, причем в блоке рабочего хода имеющем цилиндрический корпус установлен затвор и ротор, выполненный цилиндрическим и жестко соединенный с выходным валом, на роторе установлена лопатка, а рабочие камеры расширения и выпуска выполнены в виде кольцевой полости, в которой расположены лопатка с затвором. Блок формирования топливного заряда установлен на одном выходном валу с блоком рабочего хода и жестко соединен с выходным валом, на роторе установлена лопатка, идентичная лопатке блока рабочего хода, а рабочие камеры впуска и сжатия выполнены в виде кольцевой полости, в которой расположены ранее упомянутые лопатка и затвор. Затвор, расположенный в кольцевой полости выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения, а лопатка жестко укреплена на роторе. Затвор, расположенный в кольцевой полости, жестко соединен с корпусом двигателя, а лопатка установлена в радиальном пазу ротора с возможностью радиального возвратно-поступательного движения. Двухблочная компановка двигателя позволяет формировать и сжигать топливный заряд в отдельных, изолированных друг от друга, рабочих камерах, что приводит к снижению внутренних тепловых потерь рабочего цикла, статических и динамических нагрузок. Кольцевой профиль рабочих камер увеличивает их длину, благодаря чему сформированный, единично взятый и сгоревший топливный заряд, совершает большую механическую работу, которая длится на протяжении более 270° оборота выходного вала, а это снижает расход рабочего тела и позволяет повысить КПД по сравнению с двигателем прототипом. Отдельно взятые узлы и элементы двигателя, выполненные без сложных профилей и конфигураций, делают конструкцию в целом технологичной в процессе производства и экономически выгодной в эксплуатации. На фиг. 1 показан поперечный разрез двигателя с затвором, совершающим возвратно-поступательное движение; на фиг. 2 - продольный разрез двигателя; на фиг. 3 -поперечный разрез двигателя с неподвижным затвором и лопаткой, совершающей возвратно-поступательное движение; на фиг. 4 - привод затвора; на фиг. 5 - привод запорного клапана. Роторный двигатель состоит из блока рабочего хода А и блока формирования топливного заряда В, составляющих единую рабочую пару двигателя. Блок А содержит цилиндрический корпус 1 с запрессованным статором 2, цилиндрический ротор 3, жестко связанный с выходным валом 4, жестко посаженную в ротор лопатку 5, образующую с затвором 6 камеру расширения 7 и камеру выпуска 8, имеющие кольцевую форму, впускное окно 9, топливно-воздушную магистраль подачи рабочего тела 10 с запорным клапаном 11, выпускное окно 12, электросвечу зажигания 13, торцевые крышки 14 и 15 с опорными подшипниками 16, каналы охлаждения 17. Блок В выполнен по конструкции идентичным блоку А. Блок В содержит цилиндрический корпус 18 с запрессованным в него статором 19, цилиндрический ротор 20, жестко связанный с выходным валом, жестко посаженную в ротор лопатку 21, образующую с затвором 22 камеру разряжения 23 и камеру сжатия 24, имеющие кольцевую форму, впускное окно 25 и выпускное окно 26, торцевые крышки 27 и 28 с опорными подшипниками 29, каналы охлаждения 30. Привод затвора содержит маховик 31, жестко посаженный на выходной вал, шаблон 32, жестко посаженный на маховик, ролик 33, закрепленный в коромысле 34, пружину 35, штангу 36, коромысло 37. Привод запорного клапана содержит маховик 31, жестко посаженный на выходной вал, шаблон 38, жестко посаженный на маховик, ролик 39, пружину 40, штангу 41, рычаг 42. Все привода закрыты кожухами. Роторный двигатель работает следующим образом. В момент стартового запуска выходной вал 4 принудительно вращается рукояткой (вручную) или электродвигателем (стартером). Запорный клапан 11 закрыт. В блоке В, вращаясь по окружности, например по ходу часовой стрелки выходной вал 4 через ротор 20 перемещает лопатку 21. Удаляясь от затвора 22 своим задним фронтом и приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка создает в корпусе за собой камеру с зоной разряжения 23, куда через постоянно открытое окно 25 засасывается рабочее тело, а впереди себя камеру сжатия 24, где находящееся от предыдущего такта рабочее тело сжимается, формируясь в топливный заряд, Сжатый топливный заряд через топливновоздушную магистраль подачи рабочего тела 10, открывшийся запорный клапан 11, удаляется из камеры сжатия блока В и переносится без изменений в камеру расширения 7 блока А. В блоке А топливный заряд, находящийся в камере расширения 7, поджигается искрой от электросвечи 13 и сгорает. Под возникшей силой высокого давления раскаленных газов, действующих на задний фронт лопатки 5, лопатка воспринимает возникший вращательный момент, передавая его через ротор 3 на выходной вал 4. Происходит рабочий ход с углом поворота более 270о. Одновременно, приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка 5 вытесняет через постоянно открытое выпускное окно 12 находящиеся перед ней в камере выпуска 8 остаточные газы от предыдущего такта. Далее рабочий цикл многократно повторяется. В приводе затвора маховик 31, жестко соединенный с выходным валом 4, с жестко посаженным в него шаблоном 32, принудительно вращается выходным валом. Ролик 33, закрепленный в коромысле 34 и поджатый пружиной 35, обкатывая окружную поверхность маховика и шаблона, совершает маятниковые колебания, которые через штангу 36 и жестко связанное с ней коромысло 37 передает их затвору, вызывая его возвратно-поступательное движение в радиальном направлении, что позволяет периодически полностью удалять затвор из рабочей камеры, а это разрешает лопатке завершить полный оборот вокруг оси вращения и начать новый такт. В приводе запорного клапана 11 ролик 39 обкатывает по торцевой поверхности маховик 31 и фигурный шаблон 38, жестко посаженный в маховик с торца, передавая свое возвратно-поступательное движение через штангу 41 рычагу 42, вызывая маятниковые повороты запорного клапана, что позволяет периодически пропускать по топливно-воздушной магистрали сформированные единично взятые топливные заряды. Работая синхронно и синфазно, блоки А и В составляют единую рабочую пару роторного двигателя внутреннего сгорания. Роторный двигатель предлагаемой конструкции может работать как двигатель внутреннего сгорания с поджогом рабочего тела от сжатия (самовоспламенения). В этом случае в блоке А вместо электросвечи в камере расширения 7 установлена форсунка высокого давления 13. Роторный двигатель выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, рабочий цикл которого осуществляется четырехтактным способом. Двигатель работает следующим образом: в момент стартового запуска выходной вал 4 принудительно вращается электродвигателем (стартером). Запорный клапан 11 закрыт. В блоке В, вращаясь по окружности, например по ходу часовой стрелки, выходной вал 4 через ротор 20 перемещает лопатку 21. Удаляясь от затвора 22 своим задним фронтом и приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка создает в корпусе за собой камеру с зоной разряжения 23, куда через постоянно открытое впускное окно 25 засасывается наружный воздух, а впереди себя камеру сжатия 24, где находящийся от предыдущего такта воздух сжимается до степени сжатия более 16. При этом его температура превышает 700°С. Сжатый и раскаленный воздух через воздушно-топливную магистраль 10, открывшийся запорный клапан 11 удаляется из камеры сжатия блока В и переносится без изменений в камеру расширения 7 блока А. В раскаленную воздушную среду через форсунку высокого давления 13 впрыскивается рабочее тело, которое самовоспламеняется и сгорает. Под возникшей силой высокого давления раскаленных газов, действующих на задний фронт лопатки 5, лопатка воспринимает возникающий вращательный момент, передавая его через ротор 3 выходному валу 4. Происходит рабочий ход с углом поворота более 270°. Одновременно, приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка 5 вытесняет через постоянно открытое выпускное окно 12 находящиеся перед ней в камере выпуска 8 остаточные газы от предыдущего такта, затем рабочий цикл многократно повторяется. В приводе затвора, маховик 31, жестко соединенный с выходным валом 4, с жестко посаженным β него шаблоном 32, принудительно вращается выходным валом. Ролик 33, закрепленный в коромысле 34 и поджатый пружиной 35, обкатывая окружную поверхность маховика и шаблона, совершает маятниковые колебания, которые через штангу 36 и жестко связанное с ней коромысло 37 передает их затвору, вызывая его возвратно-поступательное движение в радиальном направлении, что позволяет периодически полностью удалять затвор из рабочей камеры, а это разрешает лопатке завершить полный оборот вокруг оси вращения и начать новый такт. В приводе запорного клапана 11 ролик 39 обкатывает по торцевой поверхности маховик 31 и фигурный шаблон 38, жестко соединенный посаженный в маховик с торца, передавая свое возвратно-поступательное движение через штангу 41 рычагу 42, вызывая маятниковые повороты запорного клапана, что позволяет периодически пропускать по топливно-воздушной магистрали сформированные единично взятые топливные заряды. Работая синхронно и синфазно, блоки А и В составляют единую рабочую пару роторного двигателя. Роторный двигатель предлагаемой конструкции может быть выполнен с затвором, установленным неподвижно в корпусе и с лопаткой, которая имеет возможность совершать возвратно-поступательное движение. В этом случае конструкция двигателя выполнена следующим образом (фиг, 3). Блок А содержит цилиндрической корпус 1 с запрессованным в него статором 2; цилиндрический ротор 3, жестко связанный с выходным валом 4; в радиальном пазу ротора установлена радиально подвижная лопатка 5, образующая с жестко установленным в корпусе затвором б камеру расширения 7 и камеру выпуска 8, имеющие кольцевую форму; впускное окно 9; топливно-воздушную магистраль подачи рабочего тела 10 с запорным клапаном 11; выпускное окно 12; электросвечу зажигания 13; торцевые крышки 14 и 15 с опорными подшипниками 16; каналы охлаждения 17; пружину возврата лопатки 35. Блок В может быть выполнен по конструкции идентичным блоку А. Блок В содержит цилиндрический корпус 18 с запрессованным в него статором 19; цилиндрический ротор 20, жестко соединенный с выходным валом; в радиальном пазу ротора установлена радиально подвижная лопатка 21, образующая с жестко установленным в корпусе затвором 22 камеру разряжения 23 и камеру сжатия 24, имеющие кольцевую форму; впускное окно 25 и выпускное окно 26; торцевые крышки 27 и 28 с опорными подшипниками 29; каналы охлаждения 30; пружину возврата лопатки 40. Роторный двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, с внешней системой смесеобразования работает следующим образом: в момент стартового запуска выходной вал 4 принудительно вращается рукояткой (вручную) или электродвигателем (стартером). Запорный клапан 11 закрыт. В блоке В, вращаясь по окружности, например по ходу часовой стрелки, выходной вал 4 через ротор 20 перемещает лопатку 21. Удаляясь от затвора 22 своим задним фронтом и приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка создает в корпусе за собой камеру с зоной разряжения 23, куда через постоянно открытое впускное окно 25 'засасывается рабочее тело, а впереди себя камеру сжатия 24, где находящееся от предыдущего такта рабочее тело сжимается, формируясь в топливный заряд. Сжатый топливный заряд через топливно-воздуш-ную магистраль подачи рабочего тела 10, открывшийся запорный клапан 11, удаляется из камеры сжатия блока В и переносится без изменений в камеру расширения 7 блока А. В блоке А топливный заряд, находящийся в камере расширения 7, поджигается искрой от электросвечи 13 и сгорает. Под возникшей силой высокого давления раскаленных газов, действующих на задний фронт лопатки 5, лопатка воспринимает возникший вращательный момент, передавая его через ротор 3 на выходной вал 4. Происходит рабочий ход с углом поворота более 270°. Одновременно, приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка 5 вытесняет через постоянно открытое выпускное окно 12 находящиеся перед ней в камере выпуска 8 остаточные газы от предыдущего такта. Далее рабочий цикл многократно повторяется. В приводе лопатки, например в блоке рабочего хода А, выходной вал 4 через ротор 3 принудительно вращает лопатку 5, установленную с возможностью совершать возвратно-поступательное движение в радиальном пазу ротора. При прохождении лопаткой зоны неподвижно установленного затвора 6 с последующим ее наездом на затвор, последний вытесняет лопатку в радиальный паз ротора, что вызывает сжатие выталкивающей пружины 35 и позволяет лопатке завершить полный оборот вокруг оси вращения, и начать новый такт. В приводе запорного клапана 11 ролик 39 обкатывает по торцевой поверхности маховик 31 и фигурный шаблон 38, жестко посаженный в маховик с торца, передавая свое возвратно-поступательное движение через штангу 41 рычагу 42, вызывая маятниковые повороты запорного клапана, что позволяет периодически пропускать по топливно-воз-душной магистрали сформированные единично взятые топливные заряды. Работая синхронно и синфазно, блоки А и В составляют единую рабочую пару роторного двигателя внутреннего сгорания. В роторном двигателе внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия в блоке А в камере расширения 7 установлена форсунка высокого давления 13. Двигатель работает следующим образом. В момент стартового запуска выходной вал 4 принудительно вращается электродвигателем (стартером). Запорный клапан 11 закрыт. В блоке 11, вращаясь по окружности, например по ходу часовой стрелки, выходной вал 4 через ротор 20 перемещает лопатку 21. Удаляясь от затвора 22 своим задним фронтом и приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка создает в корпусе за собой камеру с зоной разряжения 23, куда через постоянно открытое впускное окно 25 засасывается наружный воздух, а впереди себя камеру сжатия 24, где находящийся от предыдущего такта воздух сжимается до степени сжатия более 16, при этом его температура превышает 700°C. Сжатый и раскаленный воздух через воздушно-топливную магистраль 10, открывшийся запорный клапан 11 удаляется из камеры сжатия блока 11 и переносится без изменений в камеру расширения 7 блока 1. В раскаленную воздушную среду через форсунку высокого давления 13 впрыскивается рабочее тело, которое самовоспламеняется и сгорает. Под возникшей силой высокого давления раскаленных газов, действующих на задний фронт лопатки 5, лопатка воспринимает возникший вращательный момент, передавая его через ротор 3 выходному валу 4. Происходит рабочий ход с углом поворота более 270°, Одновременно, приближаясь к затвору своим передним фронтом, лопатка 5 вытесняет через постоянно открытое выпускное окно 12 находящиеся перед ней в камере выпуска 8 остаточные газы от предыдущего такта. Затем рабочий цикл многократно повторяется. В приводе лопатки, например в блоке рабочего хода 1, выходной вал 4 через ротор 3 принудительно вращает лопатку 5, установленную с возможностью совершать возвратно-поступательное движение в радиальном пазу ротора. При прохождении лопаткой зоны неподвижно установленного затвора 6, с последующим ее наездом на затвор, последний вытесняет лопатку в радиальный паз ротора, что вызывает сжатие выталкивающей пружины 35 и позволяет лопатке завершить полный оборот вокруг оси вращения и начать новый такт. Двухблочная компоновка двигателя позволяет формировать и сжигать топливный заряд в отдельных, изолированных друг от друга, рабочих камерах, что приводит к снижению внутренних напряжений, нагрузок, тепловых потерь рабочего цикла. Кольцевой профиль рабочих камер резко увеличивает их длину, благодаря чему сформированный, единично взятый и сгоревший топливный заряд совершает большую механическую работу, которая длится на протяжении более 270° оборота выходного вала. А это снижает расход рабочего тела и позволяет повысить КПД по сравнению с двигателем прототипом. Выполненные без сложных профилей и конфигураций отдельно взятые узлы и элементы двигателя, делают конструкцию в целом технологичной и дешевой в процессе производства, и экономически выгодной в эксплуатации.