Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння (варіанти) і спосіб його роботи

Винахід відноситься до машинобудування, зокрема двигунобудування, а саме до роторно-поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Відомий роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить секцію з двох циліндрів, в яких розміщені виконані у вигляді ексцентриків ротори, встановлені на паралельних валах, кінематично зв'язані між собою для синхронного обертання в одну і ту ж сторону (див. пат. США №3364906, кл. 123-8, 1968р.). Між роторами з можливістю зворотно-поступального руху встановлено шибер. Шибер контактує своїми кінцями з поверхнями роторів та ділить у кожному з циліндрів порожнину, обмежену поверхнями циліндра та ротора, на дві зони, в яких утворюються камери перемінного об'єму - передня та задня по напрямку обертання ротора. Двигун споряджено золотниковим газорозподільним механізмом, що конструктивно суміщений з шибером і являє собою систему каналів, виконаних у шибері. Недоліком відомого роторно-поршневого двигуна внутрішнього згоряння, є те, що для отримання високого ступеня стиснення циліндри виконані різних розмірів: розміри першого циліндра перевищують розміри другого. Збільшення розмірів першого циліндра призводить до втрати уніфікації першого та другого циліндрів і розміщених в них роторів, що ускладнює та здорожує виготовлення двигуна. Відомий також роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить принаймні одну секцію, в корпусі якої виконаний циліндр, в якому розміщений виконаний у вигляді ексцентрика ротор, шибер, встановлений з можливістю зворотно-поступального руху, який контактує з ротором і ділить порожнину у циліндрі на дві зони, в яких утворюються камери перемінного об'єму - передня та задня по напрямку обертання ротора (патент України №45445 від 15.04.2002р., МПК F02B53/00, прототип). У відомому роторно-поршневому двигуні внутрішнього згоряння кожна секція має два циліндри, в яких ротори встановлені на паралельних валах, кінематично зв'язані між собою для синхронного обертання в одну і ту ж сторону, шибер встановлений між роторами, газорозподільний механізм виконано у вигляді двох золотників (клапанів), розташованих по обидві сторони шибера, в кожному золотнику виконані дві камери і з'єднані з атмосферою вхідний та вихідний канали, а в кожному циліндрі по обидві сторони шибера виконані впускний та випускний канали для сполучення відповідно задньої та передньої камер циліндра з золотниками, при цьому вали роторів з'єднані з золотниками передачею, що забезпечує можливість поперемінного сполучення задньої камери кожного циліндра з вхідним каналом або з однією з камер золотника, а передньої камери кожного циліндра - з вихідним каналом або з іншою камерою золотника. Недоліком такої конструкції є необхідність забезпечення жорсткого механічного зв'язку між двома роторами, що виконують робочий хід по черзі, тобто навантаження на передавальний механізм змінюється за напрямком з кожним обертом ротора, що негативно позначиться на точності та надійності механізму. Крім того, необхідність забезпечення обертання обох роторів в одному напрямку вимагає застосування двоступінчатої шестеренчастої передачі, що негативно позначиться на загальному коефіцієнті корисної дії, синхронності роботи та надійності механізму, призведе до росту габаритних розмірів, ваги та собівартості двигуна. Відомий спосіб роботи роторно поршневого двигуна внутрішнього згоряння, що має принаймні одну секцію з двох циліндрів, в яких розміщені кінематично зв'язані між собою і виконані у вигляді ексцентриків ротори, газорозподільний механізм та шибер, що ділить порожнину в кожному циліндрі на дві камери - передню та задню по напрямку обертання ротора (див. пат. США №3364906, кл. 123-8, 1968р.). Відомий спосіб включає впуск та стиснення у першому циліндрі, перенесення стиснутого заряду повітря або паливно-повітряної суміші з першого циліндра у другий, а потім - робочий хід та випуск у другому циліндрі. Робочий цикл у двигуні поділений між циліндрами. Перший циліндр, де відбуваються тільки впуск та стиснення, служить компресором, а другий циліндр - робочим ступенем двигуна. Впуск у задній камері першого циліндра здійснюють паралельно зі стисненням у передній камері цього ж циліндра, а робочий хід у задній камері другого циліндра - паралельно з випуском у передній камері того ж циліндра. За один оберт двох роторів здійснюють один робочий хід. Недолік відомого способу полягає в тому, що під час роботи двигуна робочий хід кожного циклу здійснюють один за другим тільки у задній камері другого циліндра, тому температурний пік виникає в одній і тій же зоні одного і того ж циліндра. Це призводить до більших температурних навантажень у зоні згоряння палива в другому циліндрі, термічної деформації корпуса та підвищеному зносу циліндра. Відомий також спосіб роботи роторно-поршневого двигуна внутрішнього згоряння, відповідно до якого здійснюють впуск робочої суміші в порожнину циліндра, обмежену внутрішньою поверхнею циліндра, корпусом, ексцентриковим ротором та шибером, стиснення робочої суміші, запалювання, здійснення робочого ходу та випуск відпрацьованих газів (патент України №45445 від 15.04.2002р., МПК F02B53/00, прототип). Відомий спосіб реалізується у роторно-поршневому двигуні внутрішнього згоряння, який має принаймні одну секцію, в корпусі якої виконаний циліндр, в якому розміщений виконаний у вигляді ексцентрика ротор, шибер, встановлений з можливістю зворотно-поступального руху, який контактує з ротором і ділить порожнину у циліндрі на дві зони, в яких утворюються камери перемінного об'єму - передню та задню - за напрямком обертання ротора. У відповідності з відомим способом впуск та стиснення здійснюється у першому циліндрі, потім здійснюється перенесення стиснутого заряду повітря або паливно-повітряної суміші з першого циліндра у другий, а потім робочий хід та випуск здійснюють у другому циліндрі, причому, у другому циліндрі паралельно з випуском і робочим ходом здійснюють відповідно впуск та стиснення з наступним переносом стиснутої суміші у перший циліндр, в якому потім паралельно з стисненням і впуском здійснюють відповідно робочий хід та випуск, при цьому у кожному циліндрі у задній камері робочий хід чергують зі впуском, а у передній камері випуск чергують зі стисненням. Недоліком цього способу є залежність ефективності роботи двигуна від синхронності обертання роторів та відсутності зазорів між шибером та роторами, що досягти на практиці дуже важко. В основу винаходу поставлена задача створити такий роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, в якому нове конструктивне виконання та взаємне розташування камери згоряння, шиберу та газорозподільного механізму і нові взаємозв'язки між камерами циліндру та клапанами двигуна дозволили б здійснити спосіб роботи, що заявляється, при наявності одного ротора в одній секції, причому при роботі двигуна робочий хід в одному роторі під час кожного циклу відбувався би двічі, а збільшення обсягу робочої камери відбувалось би протягом всього оберту колінвалу, і дія продуктів згоряння робочої суміші на ротор відбувалася б з моменту відкривання впускного клапану і надходження продуктів згоряння з камери згоряння в робочу камеру і до відкривання випускного клапана на випуск, тобто протягом обертання ротора з мінімально можливого до максимально можливого кута повороту колінвалу. Поставлена задача вирішується тим, що в роторно-поршневому двигуні внутрішнього згоряння, що містить принаймні одну секцію у вигляді корпусу з передньою та задньою кришками, виконаний в корпусі циліндр, в якому ексцентричне розміщений на колінвалі ротор, пластинчатий шибер, який встановлений одним кінцем у корпусі з можливістю зворотно-поступального руху, а другим - контактує з ротором, впускний та випускний клапани, і камеру згоряння, відповідно до винаходу між впускним та випускним клапаном виконаний з'єднувальний канал, у якому розташована камера згоряння. Переважно з'єднувальний канал виконаний у задній кришці. Кожен клапан розташований у виконаній для кожного з них спільній порожнині, розташованій у корпусі і кришці. Поставлена задача вирішується також тим, що в роторно-поршневому двигуні внутрішнього згоряння, що містить принаймні одну секцію у вигляді корпусу з передньою та задньою кришками, виконаний в корпусі циліндр, в якому розміщений ексцентриковий ротор, шибер, встановлений одним кінцем у корпусі з можливістю зворотнопоступального руху, а другим - контактує з ротором, впускний і випускний клапани та камеру згоряння, розташовану у з'єднувальному каналі між впускним та випускним клапанами, відповідно до винаходу шибер виконаний у вигляді коливальної перегородки, яка протилежним від ротора кінцем розташована у закритій порожнині корпусу. Протилежний від ротора кінець шибера може бути розташований у поворотному корпусі, встановленому у закритій порожнині корпусу двигуна. На кінці, зверненому до ротора, шибер має підп'ятник. У зазначеній порожнині корпусу виконана вибірка для підп'ятника шиберу у крайньому верхньому положенні. Шибер забезпечений притискним елементом у вигляді пневматичного, гідравлічного або механічного, наприклад, пружинного пристрою. Поставлена задача вирішується також тим, що в способі роботи роторно-поршневого двигуна внутрішнього згоряння, що містить принаймні одну секцію, відповідно до якого в кожній секції здійснюють впуск робочої суміші через впускний клапан в порожнину циліндра, обмежену внутрішньою поверхнею циліндра, корпусом, ротором та шибером, в якій циклічно утворюються передня та задня по напрямку обертання ротора камери перемінного об'єму, стиснення робочої суміші, запалювання робочої суміші, здійснення робочого ходу та випуск відпрацьованих газів через випускний клапан, відповідно до винаходу запалювання робочої суміші здійснюють у з'єднувальному каналі, виконаному між впускним та випускним клапанами. Починаючи відлік з впуску в першій секції, на першому оберті здійснюють впуск робочої суміші в задню камеру і випуск газів із передньої камери, на другому оберті після перетворення задньої камери в передню і утворення нової задньої камери, здійснюють стиснення в новоутвореній передній камері впуск робочої суміші в новоутворену задню камеру, на третьому оберті здійснюють робочий хід в наступній новоутвореній задній камері і стиснення в наступній новоутвореній передній камері, на четвертому оберті здійснюють робочий хід в наступній новоутвореній задній камері і випуск із наступної новоутвореної передньої камери, і далі цикл повторюють, як з першого оберту. При об'єднанні секцій в агрегат, що складається з двох, чотирьох і т.д. секцій, фази розподіляються таким чином, щоб першому оберту першої секції відповідав третій оберт другої секції, тобто, під час впуску робочої суміші в задню камеру на першому оберті першої секції у задній камері другої секції здійснюють робочий хід. При цьому під час кожного оберту колінвала, як мінімум, одна із секцій буде здійснювати робочий хід. Запалювання робочої суміші може бути здійснено у камері, виконаній у з'єднувальному каналі у вигляді розширення. Робочий хід ротора в одній секції під час кожного циклу здійснюється двічі. Продукти згоряння робочої суміші на ротор діють з моменту відкривання впускного клапану і надходження продуктів згоряння з камери згоряння в робочу камеру і до відкривання випускного клапана на випуск. Винахід пояснюється на прикладі однієї секції кресленнями, на яких зображено: Фіг.1 - загальний вигляд двигуна (вид спереду) Фіг.2 - розріз А-А по Фіг.1 (впускний клапан та перепускні канали) Фіг.3 - розріз С-С по Фіг.1 (камера згоряння та перепускні канали клапана) Фіг.4 - корпус двигуна з позначенням всіх отворів Фіг.5 - загальний вигляд двигуна з розрізом по клапанах та камері згоряння Фіг.6 - ротор у положенні 0° (закінчення оберту №2), Фіг.7 - оберт №1, Фіг.8 - оберт №2, Фіг.9 - оберт №3 (початок), Фіг.10 - оберт №3 (закінчення), Фіг.11 - оберт №4. Роторно-поршневий двигун складається з корпуса 1, у циліндричній порожнині (далі - циліндр) якого розташований колінвал 2, на якому встановлений ротор 3. В осьовому напрямку корпус закритий кришками передньою (умовно не показана), і задньою кришкою 4. У корпусі 1 і в кришці 4 виконані циліндричні отвори, у яких установлені поворотні клапани - 5 впускний клапан і 6 - випускний. Зазначені отвори розташовані співвісно і утворюють спільну порожнину для кожного з клапанів. Поворотні клапани зв'язані з ротором за допомогою передачі, наприклад зубчатого ременя аналогічно традиційним поршневим двигунам з передаточним відношенням 1:4, тобто чотирьом обертам ротора відповідає один оберт поворотних клапанів. Зубчатий ремінь умовно не показаний. Пластинчастий шибер 7 виконаний у вигляді коливальної перегородки, яка протилежним від ротора 3 кінцем встановлена у поворотному корпусі 8, розташованому в корпусі 1 з можливістю зворотнопоступального руху, а другим - контактує з ротором 3. Корпус 8 має напрямну для шибера і оснащений механізмом (умовно не показаний), що забезпечує надійний контакт спряжених поверхонь ковзання ротора 3 і шибера 7. Таким механізмом може бути притискний елемент у вигляді пневматичного, гідравлічного або механічного, наприклад, пружинного пристрою. В корпусі 1 в зоні впускного клапану 5 виконані отвори 9 і 10, які сполучають циліндр з впускним клапаном 5, а в зоні випускного клапану 6 виконані отвори 11 і 12, які сполучають циліндр з випускним клапаном 6. В кришці 4 циліндричні отвори під клапані 5 та 6 сполучені з'єднувальним каналом, у якому розташована камера згоряння 13. У бічних стінках корпуса розташовані: праворуч-канал впускний 14 до клапана 5, а ліворуч - канал випускний 15 від клапана 6. Поворотний клапан 5 має перепускні канали 16 і 17, виконані таким чином, щоб при повороті клапана на визначений кут впускний канал 14 з'єднувався через отвір 9 з циліндричною порожниною корпуса за шибером 7 по напрямку обертання ротора (фаза впуску), а канал 15 під час фази розширення з'єднує камеру згоряння 13 з отвором 10 у корпусі 1. Поворотний клапан 6 має перепускні канали 18 і 19. Канал 18 з'єднує отвір 11 корпуса 1 з камерою згоряння 13, а канал 19- з'єднує отвір 12 корпуса 1 і канал випускний 15. Клапани 5 і 6 виконані у вигляді циліндрів з фігурними каналами, що на визначених кутах повороту сполучують відповідні отвори корпусу, забезпечуючи впуск, стиснення з наступним витісненням суміші до камери згоряння, утримання суміші під час проходження ротором позначки 0° в камері згоряння, випуск суміші після запалення до робочої камери для здійснення робочого ходу, та видалення відпрацьованої суміші під час наступного оберту до випускного каналу. На ілюстраціях (Фіг.1-12) канали показані схематично. При цьому канал 16 у клапані 5, що забезпечує впуск суміші до циліндра, виконаний таким чином, щоб забезпечити впуск суміші впродовж двох повних обертів ротора або обертання ротора на 720° що відповідає повороту клапана на 180°. Канал 17 у клапані 5 виготовлено з двох не сполучуваних між собою секторів - для того, щоб випустити робочу суміш з камери згоряння після включення запалення до камери перемінного об'єму, утвореної за шибером, потім утворити замкнений простір у камері згоряння для утримання там наступної порції суміші, та випуску її після запалення до наступної новоутвореної за шибером 7 камери перемінного об'єму під час наступного оберту. Кут відкритого каналу становить 10°-170° на третьому та на четвертому обертах. Тобто 730°-890°та 1090°1250° кожного циклу. Канали у клапані 6 виконані подібно - канал 19 з'єднує порожнину корпуса з випускним колектором, і відкритий впродовж двох обертів ротора - четвертого та першого (у наступному циклі), а канал 18 перепускає стиснену суміш до камери згоряння . Кут відкритого каналу становить 180°-335°на другому та третьому обертах, або 540°-695° та 900°-1055° циклy. У камері згоряння 13 задньої кришки 4 установлена свіча запалювання 20. На поверхні ротора нанесено умовну позначку 21 у вигляді стрілки, що направлена в бік максимального ексцентриситету колінвала. В момент проходження ротором положення 0° (тобто в момент початку оберту) позначка 21 розташована вертикально. При будь-якому положенні колінвала позначка 21 направлена до лінії дотику циліндричної поверхні ротора і статора, що є межею між камерами перемінного об'єму. Поворот колінвала на один оберт відповідає повороту клапанів 5 і 6 на чверть оберту. Таким чином, повний цикл одна секція двигуна робить за 4 оберти колінвала. Запуск двигуна здійснюється обертанням від зовнішнього приводу (стартера), що умовно не показаний. Початком кожного оберту вважається такий стан, при якому лінія контакту ротора з циліндричною порожниною корпуса, в якій він розташований, знаходиться в крайньому верхньому положенні, а шибер повністю утоплений в виїмці корпусу. Спосіб роботи запропонованого роторно-поршневого двигуна внутрішнього згоряння здійснюється в процесі роботи двигуна. Відповідно до запропонованого способу здійснюють впуск робочої суміші через впускний клапан 5 в порожнину циліндра, обмежену внутрішньою поверхнею циліндра корпусі, ротором 3 та шибером 7, в якій циклічно утворюються передня та задня по напрямку обертання ротора 3 камери перемінного об'єму, стиснення робочої суміші, запалювання робочої суміші, здійснення робочого ходу та випуск відпрацьованих газів через випускний клапан 6, причому, запалювання робочої суміші здійснюють у з'єднувальному каналі між впускним та випускним клапанами 5 і 6, в якому утворена камера згоряння 13. У положенні, коли ротор 3 розпочинає черговий оберт (тобто позначка 21 та лінія дотику ротора з циліндром співпадають з вертикальною віссю шибера, який в цей момент повністю втиснутий в порожнині корпуса), між поверхнею ротора та циліндра існує лише одна камера, яка в цю мить має максимальний обсяг. При подальшому обертанні ротора 3 за годинниковою стрілкою, як тільки ротор проходить цю позначку, лінія дотику поверхонь ротора і корпуса зміщується, зазначена камера починає поступово зменшуватись, а між лінією дотику поверхонь ротора і корпуса і задньою стінкою шибера 7 утворюється і поступово збільшується новоутворена чергова камера. Отже, при обертанні колінвала ротор 3 обкочується по внутрішній поверхні корпуса 1, і між задньою стінкою шибера 7 та циліндричними поверхнями корпуса 1 та ротора 3, обмеженими лінією взаємного дотику, циклічно утворюється камера перемінного об'єму (умовно названа задньою камерою), яка залежно від кута повороту змінюється за розміром і функцією. В той же час, між передньою стінкою шибера 7 та циліндричними поверхнями корпуса 1 та ротора 3, обмеженими лінією взаємного дотику, циклічно утворюється камера перемінного об'єму (умовно названа передньою камерою), яка також залежно від кута повороту змінюється за розміром і функцією. Причому, задня камера при обертанні ротора З виникає, збільшується за об'ємом до максимального і в момент початку наступного оберту перетворюється в передню камеру, тобто в камеру, розташовану перед передньою стінкою шибера 7. Під час першого оберту перепускний канал 16 клапана 5 з'єднує впускний канал з отвором 9 у корпусі відбувається усмоктування робочої суміші в задню камеру двигуна. Перепускний канал 19 клапана 6 з'єднує отвір 12 корпуса і випускний канал 15. Після того, як тільки ротор 3 пройде нульову позначку, і лінія дотику поверхонь ротора і корпуса зміститься, зазначена камера стає передньою відносно шибера 7 і починає поступово зменшуватися, а між задньою стінкою шибера 7 та циліндричними поверхнями корпуса 1 та ротора 3, обмеженими лінією взаємного дотику, утворюється нова задня камера. Під час другого оберту відбувається усмоктування робочої суміші в новоутворену задню камеру двигуна (див. Фіг.8). Клапан 6 до цього моменту провертається, перепускний канал 19 зміщається, замикаючи передню камеру. Передня камера у цей час зменшується, робоча суміш у ній стискається, а клапан 6, продовжуючи рух, займає таке положення, при якому сполучається перепускний канал 18, отвір 11 корпуса і камера згоряння 13. Робоча суміш через перепускний канал 18 нагнітається в камеру згоряння 13. На початку третього оберту, після проходження ротором 3 позначки 0°, за допомогою свічі запалювання 20 відбувається запалення суміші в камері згоряння 13, а клапан 5, провертаючись, сполучає перепускний канал 17, камеру згоряння 13 і отвір 10 корпуса 1 і продукти згоряння, розширюючись, спрямовуються в задню камеру, прагнуть збільшити її обсяг, здійснюючи тиск на ротор, який, у свою чергу, передає зусилля на колінвал. Процес розширення продовжується до досягнення ротором позначки 0°, тобто до збільшення задньої камери до максимального обсягу. Під час цього у передній камері стискується наступна порція робочої суміші і при відкритті клапана 6 (сполученні перепускного каналу 18 з камерою згоряння 13 і отвором 12 у корпусі 1), подається в камеру згоряння. На початку четвертого оберту відбувається запалення суміші в камері згоряння, відкривається клапан 5 (сполучає перепускний канал 17, камеру згоряння 13 і отвір 10 корпуса 1), і продукти згоряння попадають у задню камеру, а з передньої камери гази, що відпрацювали, при сполученні перепускного каналу 19 у клапані б з випускним каналом 15 і отвором 11 у корпусі витісняються у випускний канал. Гази, що відпрацювали, витісняються з передньої камери у випускний канал на початку п'ятого оберту, коли в новоутворену задню камеру усмоктується чергова порція робочої суміші, тобто, починається наступний цикл (див. перший оберт). З наведеного прикладу видно, що починаючи відлік з впуску, на першому оберті здійснюють впуск робочої суміші в задню камеру і випуск газів із передньої камери, на другому оберті після перетворення задньої камери в передню і утворення нової задньої камери, здійснюють стиснення в новоутвореній передній камері впуск робочої суміші в новоутворену задню камеру, на третьому оберті здійснюють робочий хід в наступній новоутвореній задній камері і стиснення в наступній новоутвореній передній камері, на четвертому оберті здійснюють робочий хід в наступній новоутвореній задній камері і випуск із наступної новоутвореної передньої камери, і далі цикл повторюють, як з першого оберту. Таким чином, при роботі однієї секції двигуна робочий хід під час кожного циклу відбувається двічі - кожні третій і четвертий оберт колінвала. При об'єднанні секцій в агрегат, що складається з двох, чотирьох і т.д. секцій роторно-поршневого двигуна внутрішнього згоряння, фази розподіляються таким чином, щоб першому оберту секції №1 відповідав третій оберт секції №2 .При цьому під час кожного оберту колінвала, як мінімум, одна із секцій буде здійснювати робочий хід. Перевагами запропонованого двигуна є те, що камера згоряння розташована за межами робочої камери - у кришці двигуна, а збільшення обсягу робочої камери йде протягом всього оберту колінвала, і вплив продуктів згоряння робочої суміші на ротор відбувається з моменту відкривання клапана 5 і потрапляння продуктів згоряння з камери згоряння в робочу камеру і до відкривання клапана 6 на випуск, тобто протягом обертання ротора з кута 27 градусів (момент повного відкривання клапана 5) до положення 340-345 градусів (початок випуску) чи протягом 84%-86% оберту колінвалу.