Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (варианты)

(51)02 53/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Потис Валерий Михайлович(72) Автор Потис Валерий Михайлович(73) Патентообладатель Потис Валерий Михайлович(57) 1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий размещенные на общем валу двигателя роторно-поршневой компрессор для выполнения тактов впуска и сжатия рабочей смеси, роторно-поршневой силовой агрегат для выполнения тактов рабочего хода и выпуска отработанных газов, каждый из которых содержит статор, в полости которого расположен ротор в виде плоского цилиндра с одной лопастью, неподвижно посаженный на вал двигателя с образованием объема тороидальной формы между внутренней поверхностью статора и цилиндрической поверхностью ротора, отличающийся тем,что содержит платформу в виде плоского цилиндра, расположенную между боковинами статоров компрессора и силового агрегата, прилегающих к платформе и неподвижно посаженную на вал двигателя на цилиндрической части статоров компрессора и силового 8504 1 2006.10.30 агрегата установлено по одной выдвижной лопасти, делящих совместно с лопастями роторов объемы тороидальной формы компрессора и силового агрегата на две рабочие камеры, каждая выдвижная лопасть снабжена механизмом вывода ее из рабочей камеры в виде коромысла с роликом и возвратной пружиной на прилегающих к платформе боковинах статоров компрессора и силового агрегата выполнены перепускные окна, а на внешней боковине статора силового агрегата выполнено окно для выпуска отработанных газов рабочая камера компрессора, расположенная с обратной стороны от направления движения лопасти ротора, через канал, выполненный в роторе, сопряжена с каналом для впуска рабочей смеси, выполненным по оси вала двигателя статор силового агрегата содержит камеру сгорания со свечой зажигания или форсункой, выполненную в цилиндрической части статора в виде полости, сообщаемой с рабочей камерой силового агрегата между выдвижной лопастью и лопастью ротора, с возможностью отсечения камеры сгорания от рабочей камеры цилиндрической поверхностью лопасти ротора при закачке в камеру сгорания рабочей смеси платформа выполнена с перепускным окном с возможностью сопряжения его с перепускными окнами компрессора и силового агрегата в ходе закачки сжатой рабочей смеси в камеру сгорания, отсечения его по окончании закачки и снабжена на цилиндрической части двумя кулачками для обеспечения возможности взаимодействия с механизмами вывода выдвижных лопастей компрессора и силового агрегата при прохождении под ними лопастей роторов корпуса статоров компрессора и силового агрегата уплотнены посредством эластичной прокладки и стянуты расположенными по окружности статоров болтами с пружинами для обеспечения герметичности двигателя. 2. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий размещенные на общем валу двигателя роторно-поршневой компрессор для выполнения тактов впуска и сжатия рабочей смеси, роторно-поршневой силовой агрегат для выполнения тактов рабочего хода и выпуска отработанных газов, отличающийся тем, что роторно-поршневой компрессор и роторно-поршневой силовой агрегат функционально объединены в одно устройство, содержащее статор компрессора и силового агрегата в виде двух соединенных половин, образующих общий корпус, ротор компрессора в виде плоского цилиндра с одной лопастью, ротор силового агрегата в виде плоского цилиндра с одной лопастью и платформа в виде плоского цилиндра, расположенная между боковинами роторов, функционально объединены в единое целое и выполнены в виде одной детали, неподвижно посаженной на вал двигателя в полости статоров с образованием объемов тороидальной формы компрессора и силового агрегата между внутренними цилиндрическими поверхностями половин статора, боковыми поверхностями платформы, цилиндрическими поверхностями роторов и их внутренней поверхностью боковин, прилегающих к боковинам статоров на цилиндрической части боковин статора установлено по одной выдвижной лопасти, делящих совместно с лопастями роторов объемы тороидальной формы компрессора и силового агрегата на две рабочие камеры, каждая выдвижная лопасть снабжена механизмом вывода ее из рабочей камеры в виде коромысла с роликом и возвратной пружиной рабочая камера компрессора, расположенная с обратной стороны от направления движения лопасти ротора, сопряжена с окном для впуска рабочей смеси, выполненным на боковине статора компрессора боковина статора силового агрегата содержит камеру сгорания со свечой зажигания или форсункой, выполненную в цилиндрической части статора в виде полости, сообщаемой с рабочей камерой силового агрегата между выдвижной лопастью и лопастью ротора с возможностью отсечения от упомянутой рабочей камеры цилиндрической поверхностью лопасти ротора при закачке в камеру сгорания рабочей смеси, при этом на боковине статора силового агрегата выполнено окно для выпуска отработанных газов платформа выполнена с перепускным окном с возможностью сопряжения его с рабочей камерой компрессора и камерой сгорания силового агрегата в ходе закачки сжатой рабочей смеси из компрессора в камеру сгорания и отсечения перепускного окна по окончании закачки, а цилиндрическая часть платформы снабжена двумя кулач 2 8504 1 2006.10.30 ками для обеспечения возможности взаимодействия с механизмами вывода выдвижных лопастей компрессора и силового агрегата при прохождении под ними лопастей роторов половины корпусов статора компрессора и силового агрегата уплотнены между собой посредством эластичной прокладки и стянуты расположенными по окружности статора стяжными болтами с пружинами для обеспечения герметичности двигателя. Изобретение относится к двигателестроению и может использоваться в качестве силовой установки. Известным изобретением по конструкции составных частей двигателя является роторный двигатель 1, содержащий корпус, в цилиндрической расточке которого концентрично установлен ротор с выступом, контактирующим с поверхностью расточки. Подпружиненный разделитель установлен в пазу корпуса. Рабочий торец разделителя имеет скошенную с двух сторон поверхность. Впускной и выпускной каналы размещены в разделителе и выполнены в виде прямоугольного поперечного сечения. Выступ выполнен профилированным и снабжен уплотнительным элементом в виде прямоугольной пластины. Наиболее близким аналогом является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания 2, содержащий ротор-поршень, установленный в полости корпуса с возможностью вращения вместе с валом двигателя и механически связанный с ним, а также камеру сгорания, в виде полости между неподвижным корпусом и подвижным ротором-поршнем. Полость корпуса выполнена цилиндрической, разделена перегородкой, по крайней мере,на две секции, одна из которых является компрессорной, а другая рабочей. В каждой секции установлены жестко закрепленные на валу роторы-поршни, имеющие форму плоских кулачков с криволинейной рабочей поверхностью, большая часть которой является цилиндрической. Рабочая поверхность роторов соприкасается с подвижными затворами, жестко закрепленными на валах, параллельных оси двигателя, и установлены во впускном и выпускном каналах корпуса. Полости компрессорной и рабочей секций сообщены между собой каналом с клапанным или золотниковым механизмом, имеющим привод от вала двигателя. Однако в данной конструкции впуск сжатой смеси производится в увеличивающуюся по объему во время впуска камеру сгорания, образованную между неподвижным затвором и подвижным ротором-поршнем, что не способствует достижению требуемой степени сжатия рабочей смеси. Задачей предлагаемого изобретения является построение конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, состоящего из двух роторных устройств с образованием рабочих камер по принципу вышеизложенного аналога, только с выдвижной разделительной лопастью, механизмом вывода ее из рабочей камеры, что способствует свободному вращению ротора, и отдельными камерой сгорания, впускным и выпускным каналами. Рабочие такты в каждом устройстве происходят между неподвижной на статоре выдвижной лопастью и лопастью вращающегося ротора. При этом одно из роторных устройств должно быть построено как роторно-поршневой компрессор, выполняющий низкотемпературные такты впуска и сжатия, второе роторно-поршневое устройство - как силовой агрегат, производящий высокотемпературные такты рабочего хода и выпуска. Такая конструкция создает максимальный крутящий момент силы на валу двигателя (что выражается произведением силы на плечо), где сила давления рабочих газов всегда перпендикулярна плечу, а плечо - величина постоянная. Решение этой задачи создаст возможность уменьшить потери горючей смеси при сжатии, используя более тонкую подгонку ротора и статора компрессора, благодаря низкотемпературному режиму работы, а если и произойдет утечка горючей смеси, то она остается в рабочей камере, где будет использована в последующих тактах. Задачей изобретения также является построение роторного двигателя с самоуплотнением трущихся узлов роторов и статоров при их износе. 3 8504 1 2006.10.30 Это достигается (вариант 1) построением конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего на общем валу двигателя роторно-поршневой компрессор для выполнения тактов впуска и сжатия рабочей смеси и роторно-поршневой силовой агрегат для выполнения тактов рабочего хода и выпуска отработанных газов, каждый включающий в себя статор, в полости которого расположен ротор в виде плоского цилиндра с одной лопастью, неподвижно посаженный на вал двигателя с образованием объема тороидальной формы между внутренней поверхностью статора и цилиндрической поверхностью ротора. Двигатель содержит платформу в виде плоского цилиндра, расположенную между боковинами статоров компрессора и силового агрегата, прилегающих к платформе, и неподвижно посаженную на вал двигателя. На цилиндрической части статоров компрессора и силового агрегата установлено по одной выдвижной лопасти, делящих совместно с лопастями роторов объемы тороидальной формы компрессора и силового агрегата на две рабочие камеры. Каждая выдвижная лопасть снабжена механизмом вывода ее из рабочей камеры в виде коромысла с роликом и возвратной пружиной. На прилегающих к платформе боковинах статоров компрессора и силового агрегата выполнены перепускные окна, а на внешней боковине статора силового агрегата выполнено окно для выпуска отработанных газов. Рабочая камера компрессора, расположенная с обратной стороны от направления движения лопасти ротора, через канал, выполненный в роторе,сопряжена с каналом для впуска рабочей смеси, выполненным по оси вала двигателя. Статор силового агрегата содержит камеру сгорания со свечой зажигания или форсункой, выполненную в цилиндрической части статора в виде полости, сообщаемой с рабочей камерой силового агрегата между выдвижной лопастью и лопастью ротора, с возможностью отсечения камеры сгорания от рабочей камеры цилиндрической поверхностью лопасти ротора при закачке в камеру сгорания рабочей смеси. Платформа выполнена с перепускным окном с возможностью сопряжения его с перепускными окнами компрессора и силового агрегата в ходе закачки сжатой рабочей смеси в камеру сгорания, отсечения его по окончании закачки и снабжена на цилиндрической части двумя кулачками для обеспечения возможности взаимодействия с механизмами вывода выдвижных лопастей компрессора и силового агрегата при прохождении под ними лопастей роторов. Корпуса статоров компрессора и силового агрегата уплотнены посредством эластичной прокладки и стянуты расположенными по окружности статоров болтами с пружинами для обеспечения герметизации двигателя. Это достигается (вариант 2) построением конструкции роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего на общем валу двигателя роторно-поршневой компрессор для выполнения тактов впуска и сжатия рабочей смеси и роторно-поршневой силовой агрегат для выполнения тактов рабочего хода и выпуска отработанных газов. Роторно-поршневой компрессор и роторно-поршневой силовой агрегат функционально объединены в одно устройство, содержащее статор компрессора и силового агрегата в виде двух соединенных половин, образующих общий корпус. Ротор компрессора в виде плоского цилиндра с одной лопастью, ротор силового агрегата в виде плоского цилиндра с одной лопастью и платформа в виде плоского цилиндра, расположенная между боковинами роторов, функционально объединены в единое целое и выполнены в виде одной детали, неподвижно посаженной на вал двигателя в полости статоров с образованием объемов тороидальной формы компрессора и силового агрегата между внутренними цилиндрическими поверхностями половин статора, боковыми поверхностями платформы, цилиндрическими поверхностями роторов и их внутренней поверхностью боковин, прилегающих к боковинам статоров. На цилиндрической части боковин статора установлено по одной выдвижной лопасти, делящих совместно с лопастями роторов объемы тороидальной формы компрессора и силового агрегата на две рабочие камеры. Каждая выдвижная лопасть снабжена механизмом вывода ее из рабочей камеры в виде коромысла с роликом и возвратной пружиной. Рабочая камера компрессора, расположенная с обратной стороны от 4 8504 1 2006.10.30 направления движения лопасти ротора, сопряжена с окном для впуска рабочей смеси, выполненным на боковине статора компрессора. Боковина статора силового агрегата содержит камеру сгорания со свечой зажигания или форсункой, выполненную в цилиндрической части статора в виде полости, сообщаемой с рабочей камерой силового агрегата между выдвижной лопастью и лопастью ротора с возможностью отсечения ее от упомянутой рабочей камеры цилиндрической поверхностью лопасти ротора при закачке в камеру сгорания рабочей смеси. На боковине статора силового агрегата выполнено окно для выпуска отработанных газов. Платформа выполнена с перепускным окном с возможностью сопряжения его с рабочей камерой компрессора и камерой сгорания силового агрегата в ходе закачки сжатой рабочей смеси из компрессора в камеру сгорания и отсечения перепускного окна по окончании закачки. Цилиндрическая часть платформы снабжена двумя кулачками для обеспечения возможности взаимодействия с механизмами вывода выдвижных лопастей компрессора и силового агрегата при прохождении под ними лопастей роторов. Половины корпусов статора компрессора и силового агрегата уплотнены между собой посредством эластичной прокладки и стянуты расположенными по окружности статора стяжными болтами с пружинами для обеспечения герметичности двигателя. Для пояснения устройства и работы двигателя прилагаются следующие графические материалы фиг. 1. Роторно-поршневой компрессор. Поперечный разрез. Конец такта сжатия. фиг. 2. Роторно-поршневой силовой агрегат. Поперечный разрез. Начало такта рабочего хода. фиг. 3. Платформа. фиг. 4. Общая схема двигателя. Продольный разрез в фазе расположения узлов согласно разрезов А-А (фиг. 1), Б-Б (фиг. 2), В-В (фиг. 3). фиг. 5. Схема двигателя с самоуплотнением ротора и статора. Продольный разрез. фиг. 6. Разрез двигателя по радиусу расположения рабочих камер, развернутый в плоскость. Вариант 1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (далее двигатель) состоит из роторно-поршневого компрессора (РПК), роторно-поршневого силового агрегата(РПСА), расположенной между их корпусами платформы с управляющими кулачками и перепускным окном и общего для всех вала с неподвижной посадкой в нем роторов РПК,РПСА и платформы. Ротор 1 (фиг. 1, 4) роторно-поршневого компрессора, установленный на общем валу двигателя 2, выполнен в виде плоского цилиндра с одной лопастью, заключенного между двумя боковинами и цилиндрической поверхностью статора 3, которые своими внутренними поверхностями образуют объем тороидальной формы, разделяющийся лопастью ротора 1 и, размещенной на статоре, перекрывающей рабочую камеру, выдвижной лопастью 4 на две рабочие камеры 10, 11. Выдвижная лопасть снабжена механизмом вывода в виде коромысла 5 с роликом 6 и возвратной пружиной. По оси вала 2 двигателя расположен канал 7 для впуска рабочей смеси от карбюратора, сопряженный с каналом 8 в роторе, ведущим в рабочую камеру 10, расположенную с обратной стороны от направления движения лопасти ротора 1 (вариант, или просто окно на статоре). На боковине статора имеется окно 9 для перекачки сжатой рабочей смеси в камеру сгорания. Аналогичным образом устроен роторно-поршневой силовой агрегат (фиг. 2, 4). Лопастью ротора 12 и выдвижной лопастью 4 внутренний объем делится на рабочие камеры 13, 14. В цилиндрическом корпусе статора расположена камера сгорания 15 со свечой зажигания (форсункой), сообщаемая с рабочей камерой 13, которая в период закачки сжатой рабочей смеси в камеру сгорания отсекается от нее цилиндрической поверхностью лопасти ротора 12. Этот период закачки сжатой рабочей смеси в камеру сгорания и определяет величину угла сектора лопасти ротора. На внутренней боковине статора имеется впускное 5 8504 1 2006.10.30 окно 16, сообщаемое с камерой сгорания, на другой боковине статора выполнен выпускной канал 17 для выпуска отработанных газов. Между боковинами статоров РПК и РПСА устанавливается платформа (фиг. 3) с жесткой посадкой на общем валу 2, имеющая перепускное окно 18 для перекачки сжатой рабочей смеси от компрессора в камеру сгорания и два кулачка 19, 20 для вывода выдвижных лопастей РПК и РПСА из рабочих камер в период прохождения под ними лопастей роторов. На фиг. 4 показан продольный разрез такого двигателя. Корпуса двух статоров соединяются стяжными болтами с пружинами для уплотнения плоскостей вращающейся платформы с боковинами статоров. Для герметичности в месте соединения корпусов устанавливается эластичная прокладка. Фазораспределение узлов двигателя по окружности его показано на разрезе двигателя по радиусу расположения рабочих камер, развернутом в плоскость (фиг. 6). Тонкой линией показаны механизмы вывода 5 выдвижных лопастей 4 из рабочих камер и условные контуры управляющих кулачков 19, 20 на платформе. Двигатель работает следующим образом. При вращении вала двигателя 2, в роторнопоршневом компрессоре (фиг. 1, 4) между лопастью ротора 1 и выдвижной лопастью 4 создается разряжение, что способствует засасыванию рабочей смеси от карбюратора через каналы 7,8 в рабочую камеру 11. В камере 10 компрессора в это же время происходит сжатие рабочей смеси, поступившей от предыдущего такта. В конце такта сжатия перепускное окно 18 вращающейся платформы (фиг. 3) совмещается с окнами 9, 16 на боковинах статоров РПК и РПСА, и происходит закачка сжатой рабочей смеси в камеру сгорания 15(фиг. 2,4), которая к этому моменту работы отсекается от рабочей камеры 13 цилиндрической поверхностью лопасти ротора 12. По окончании закачки смеси в камеру сгорания,вращающаяся платформа перекрывает окна 9, 16 на боковинах, перепускное окно 18 отсекается от камеры сгорания, свечой зажигания поджигается рабочая смесь, после чего вращающаяся лопасть ротора силового агрегата открывает камеру сгорания и в рабочей камере 13 рабочие газы начинают производить рабочий ход, а в рабочей камере 14 происходит выпуск отработанных газов от предыдущего такта работы через выпускной канал 17. Очевидно, что крутящий момент силы на валу двигателя, определяющийся произведением силы на плечо (лопасть ротора), будет наиболее максимален благодаря перпендикулярному направлению силы, а плечо - величина постоянная. По окончании каждого такта, что соответствует одному обороту вала, кулачки 19, 20 вращающейся платформы (на фиг. 1, 2 контуры платформы и кулачков показаны тонкой линией), воздействуя на ролики 6 механизмов вывода, выводят выдвижные лопасти 4 из рабочих камер компрессора и силового агрегата для прохождения под ними лопастей роторов, затем возвратной пружиной устанавливаются в исходное состояние. Вариант 2. Если в рассмотренной конструкции двигателя исключить внутренние боковины статоров, функции которых заменят боковые поверхности платформы, то получится конструкция двигателя с самоуплотнением трущихся узлов ротора и статора при их износе (фиг. 5). При этом целесообразно несколько видоизменить перепускное окно 18 на платформе, как это показано на разрезе двигателя по радиусу расположения рабочих камер, развернутом в плоскость (фиг. 6). Ротор компрессора, платформа и ротор силового агрегата (фиг. 5) объединяются в единое целое, а плоскости роторов, прилегающие к боковинам, следует продлить до цилиндрических частей статоров. Рабочие камеры в этом случае будут образовываться между боковинами и цилиндрическими поверхностями роторов, боковиной платформы и цилиндрической поверхностью статоров. Такая конструкция единого ротора исключает до минимума раздвигание половин статоров вдоль вала при больших давлениях рабочих газов в рабочих камерах, позволяет уменьшить мощность пружин на стяжных болтах, что способствует уменьшению сил трения между вращающимся единым ротором и статорами и обеспечивает самоуплотнение трущихся узлов ротора и статора при их износе. 6 8504 1 2006.10.30 Двигатель данной конструкции работает, как и двигатель первого варианта, только перепускное окно вращающейся платформы сопрягается (а далее отсекается) непосредственно с камерой компрессора и с камерой сгорания силового агрегата. Источник информации 1.1831576 3, МПК 01, 1/06, 1/356. 2. Патент России 20278831, МПК 02 В 53/00. Фиг. 6 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8