RU2120042C1

RU2120042C1 - Rotary piston internal combustion engine

Info

Publication number: RU2120042C1
Application number: RU96112863A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Лугинин
Original assignee: Валерий Александрович Лугинин
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-10-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engine. SUBSTANCE: engine has housing, and rotor with blades installed in housing. To increase efficiency, housing is provided with inner space being in section an ellipse curve in which rotor with blades rotate. Blades of rotor have self-sealing mechanisms, and their position in radial direction is controlled by follower to provide tightness of working chambers. Such design provides two additional timing phases dividing exhaust and intake phase. Scavenging phase provides complete cleaning of working space from combustion products. Transfer phase precludes leakage of part of fresh charge from intake zone to exhaust zone. EFFECT: increased weight of fresh charge, reduced consumption of fuel, increased efficiency, power output and economy. 5 dwg

Description

Известна конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с цилиндрической поверхностью внутренней полости, круговой цилиндрический ротор с лопастями и уплотнительными пластинами, причем лопасти имеют тангенциальные выступы и пазы, в которых установлены пластины, отличающиеся тем, что с целью повышения надежности, долговечности и КПД двигателя, а также упрощения конструкции лопасти в роторе расположены тангенциально, так что их выступы направлены по ходу вращения ротора и имеют внешнюю цилиндрическую поверхность с радиусом, равным по величине радиусу ротора. В роторе выполнены наружные выемки, поверхности которых сопряжены с внутренней поверхностью соответствующей лопасти и ее выступа, с возможностью расположения последних в выемках заподлицо с внешней поверхностью ротора, а корпус выполнен с овалообразным поперечным сечением в виде двух полуокружностей одинакового диаметра, сопрягаемых прямыми линиями [1]. A known design of a rotary internal combustion engine comprising a housing with a cylindrical surface of the internal cavity, a circular cylindrical rotor with blades and sealing plates, the blades having tangential protrusions and grooves in which the plates are installed, characterized in that in order to increase reliability, durability and engine efficiency , as well as simplifying the design of the blades in the rotor are located tangentially, so that their protrusions are directed along the rotation of the rotor and have an external cylindrical surface st with a radius equal in magnitude to the radius of the rotor. In the rotor, external recesses are made, the surfaces of which are mated with the inner surface of the corresponding blade and its protrusion, with the possibility of placing the latter in the recesses flush with the outer surface of the rotor, and the body is made with an oval-shaped cross section in the form of two semicircles of the same diameter, mated by straight lines [1] .

Основным недостатком данной конструкции является сопряжение двух полуокружностей прямыми линиями. При переходе от радиуса конечного к радиусу бесконечному, при данном сопряжении неизбежны ударные нагрузки, так как ускорение в точке перегиба будет стремиться к бесконечности. The main disadvantage of this design is the conjugation of two semicircles in straight lines. In the transition from the radius of the finite to the radius of the infinite, with this conjugation, shock loads are inevitable, since the acceleration at the inflection point will tend to infinity.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция роторно-поршневого двигателя, в котором возвратно-поступательное движение поршня, характерное для поршневого двигателя, заменено вращательным движением ротора, во время которого объемы полостей, образованные стенками корпуса и поверхностью треугольного ротора, дважды изменяются за полый оборот от минимальной до максимальной величины, при первом уменьшении объема происходит сжатие смеси, а при втором - выталкивание выпускных газов. Первое увеличение объема используется для наполнения свежим зарядом, второе для расширения продуктов сгорания. За полный оборот ротора осуществляется четырехтактный процесс. Смена рабочего тела происходит через окна, закрываемые и открываемые углами или краями ротора. The closest technical solution, selected as a prototype, is the design of a rotary piston engine, in which the reciprocating piston movement characteristic of the piston engine is replaced by the rotational movement of the rotor, during which the cavity volumes formed by the walls of the housing and the surface of the triangular rotor are twice change during a hollow revolution from minimum to maximum value, with the first decrease in volume, the mixture is compressed, and in the second - the exhaust gas is pushed out. The first increase in volume is used to fill with a fresh charge, the second to expand the combustion products. For a full revolution of the rotor, a four-stroke process is carried out. The change of the working fluid occurs through windows that are closed and opened by the corners or edges of the rotor.

В РПД корпус имеет двухэпитрохиоидальный профиль, по которому движутся вершины треугольного ротора, совершающего полный оборот за три оборота эксцентрикового вала. Центр ротора вращается вокруг центра вала, а вращательное движение ротора создается обкатыванием закрепленной в роторе шестерни внутреннего зацепления вокруг неподвижно установленной в корпусе двигателя шестерни внешнего зацепления. Отдельные фазы рабочего процесса в трех полостях сдвинуты одна относительно другой на 120^o угла поворота ротора или 360^o поворота эксцентрикового вала. В отличие от поршневого двигателя окна в корпусе РПД все время открыты и вершина ротора соединяет впускной канал с двумя камерами. Вследствие этого отдельные фазы впуска и выпуска в смежных полостях двигателя частично перекрываются.In the RPD, the casing has a two-epitrochioid profile along which the vertices of the triangular rotor move, making a complete revolution in three revolutions of the eccentric shaft. The center of the rotor rotates around the center of the shaft, and the rotational movement of the rotor is created by rolling in the internal gear fixed in the rotor around the external gear fixed in the motor housing. The individual phases of the working process in three cavities are shifted one relative to the other by 120 ^{° of the} angle of rotation of the rotor or 360 ^{° of} rotation of the eccentric shaft. Unlike a piston engine, the windows in the RPD housing are always open and the top of the rotor connects the inlet to two chambers. As a result, the individual phases of the intake and exhaust in adjacent engine cavities partially overlap.

Недостатком прототипа является то, что во время продувки часть заряда перетекает в выпускной канал, что снижает экономичность двигателя. Несмотря на эффективную продувку, во время наполнения в полости сжатия остается значительное количество продуктов сгорания вследствие перетекания газов из предыдущей полости. Имеется дисбаланс двигателя, так как центр ротора вращается вокруг центра вала. Передача крутящего момента осуществляется посредством шестерен, что снижает КПД двигателя. The disadvantage of the prototype is that during purging part of the charge flows into the exhaust channel, which reduces the efficiency of the engine. Despite the effective purge, a significant amount of combustion products remains in the compression cavity during filling due to the flow of gases from the previous cavity. There is an imbalance in the motor, since the center of the rotor rotates around the center of the shaft. The transmission of torque is carried out by means of gears, which reduces the efficiency of the engine.

Целью изобретения является создание высокоэффективного двигателя внутреннего сгорания. The aim of the invention is to provide a highly efficient internal combustion engine.

Указанная цель достигается тем, что корпус двигателя выполнен с цилиндрической внутренней полостью, имеющей в поперечном сечении замкнутую кривую, типа эллипс, с плавно изменяющимся размером радиус-вектора образующей, в зависимости от угла поворота ротора, помещенного в полость. Ротор имеет радиально расположенные лопасти. При вращении ротора центральный вектор криволинейной поверхности, который совпадает с вектором ротора, делящим угол, образующийся двумя соседними лопастями, пополам, дважды изменяется за полный оборот ротора от минимальной до максимальной величины. Объем, ограниченный двумя соседними лопастями, ротором и криволинейной поверхностью, при повороте ротора изменяется в зависимости от изменения размера радиус-вектора, таким образом, криволинейная поверхность корпуса выполняет функцию поршня. При первом уменьшении объема, начало отсчета при максимальном размере вектора, происходит сжатие смеси, а при втором - выталкивание выпускных газов. Первое увеличение объема используется для расширения продуктов сгорания, второе для наполнения полости свежим зарядом. За полный оборот ротора осуществляется четырехтактный процесс. Смена рабочего тела происходит через окна, открываемые и закрываемые лопастями ротора. Отдельные фазы рабочего процесса в полостях сдвинуты одна относительно другой на угол 360^o/p (где p - число лопастей) угла поворота ротора. Рабочий цикл двигателя содержит в себе кроме фаз впуска, сжатия, горения-расширения, выпуска также самостоятельную фазу продувки и зону перехода, что обеспечивает полную очистку камер рабочих от продуктов сгорания и предотвращает утечку свежего заряда из зоны впуска. Зона впуска и зона сгорания разделены рабочей камерой, находящейся в фазе сжатия, что предотвращает приток продуктов сгорания в камеру впуска. Ротор вращается вокруг оси вала двигателя, впускные, выпускные, продувочные окна постоянно открыты. Двигатель сконструирован так, что в каждой фазе рабочего цикла находится как минимум две рабочих камеры, что позволяет иметь в двигателе одновременное непрерывное протекание всех фаз рабочего цикла.This goal is achieved by the fact that the motor housing is made with a cylindrical internal cavity having a closed curve in the cross section, such as an ellipse, with a continuously varying radius vector of the generatrix, depending on the angle of rotation of the rotor placed in the cavity. The rotor has radially spaced blades. When the rotor rotates, the central vector of the curved surface, which coincides with the rotor vector dividing the angle formed by two adjacent blades, in half, changes twice during the full rotation of the rotor from minimum to maximum. The volume limited by two adjacent vanes, the rotor and the curved surface, when the rotor is rotated, changes depending on the size of the radius vector, thus, the curved surface of the body acts as a piston. At the first decrease in volume, the reference point at the maximum size of the vector, the mixture is compressed, and at the second - the exhaust gas is pushed out. The first increase in volume is used to expand the combustion products, the second to fill the cavity with a fresh charge. For a full revolution of the rotor, a four-stroke process is carried out. The change of the working fluid occurs through windows that open and close with the rotor blades. The individual phases of the working process in the cavities are shifted relative to each other by an angle of 360 ^o / p (where p is the number of blades) of the angle of rotation of the rotor. In addition to the intake, compression, combustion-expansion, exhaust phases, the engine’s duty cycle also includes an independent purge phase and transition zone, which ensures complete cleaning of the working chambers of the combustion products and prevents leakage of fresh charge from the intake zone. The intake zone and the combustion zone are separated by a working chamber in the compression phase, which prevents the influx of combustion products into the intake chamber. The rotor rotates around the axis of the motor shaft, inlet, outlet, purge windows are constantly open. The engine is designed so that at least two working chambers are located in each phase of the duty cycle, which allows the engine to have simultaneous continuous flow of all phases of the duty cycle.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый двигатель отличается тем, что корпус двигателя имеет с цилиндрической полостью типа эллипс, с плавно изменяющимся радиус-вектором, что позволяет ему выполнять функцию поршня. Двигатель имеет газораспределение с дополнительными фазами газораспределения - фаза продувки и перехода. Ротор вращается вокруг оси вала двигателя. Таким образом, заявляемый двигатель соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the inventive engine is characterized in that the engine housing has a cylindrical cavity of the ellipse type, with a smoothly changing radius vector, which allows it to perform the function of a piston. The engine has a gas distribution with additional gas distribution phases - a purge and transition phase. The rotor rotates around the axis of the motor shaft. Thus, the claimed engine meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field made it possible to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан поперечный разрез двигателя, на фиг.2 показан разрез А-А, на фиг.3 - лопасть ротора, вид сбоку, на фиг.4 разрез А-А, на фиг.5 - разрез Б-Б, на фиг.1 совместно с поперечным разрезом показана круговая диаграмма фаз газораспределения двигателя. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a transverse section of the engine, FIG. 2 shows a section AA, FIG. 3 shows a rotor blade, a side view, FIG. 4 shows a section AA, FIG. 5 shows a section B-B, and FIG. 1 together with a cross section shows a circular diagram of the engine timing.

Предлагаемый "Роторный корпусно-поршневой двигатель" внутреннего сгорания состоит из корпуса - фиг. 1, 2; щеки корпуса передней 5 и задней 12 -фиг. 1, 2; корпуса передней опоры 2 и задней 3 -фиг. 1; ротора с валом 4 -фиг. 1, 2; резьбовых колец 6 -фиг. 2; опорных подшипников 7; упорного 10 -фиг. 2; лопастей ротора 8 -фиг. 1; колец уплотнения 9 с пружинными кольцами 11- фиг. 2; копиров 13 -фиг. 2. Лопасти 8 фиг. 1 сборные и состоят из двух пластин 14, 15 -фиг. 2, 3, 4, 5; пружины 18 -фиг. 4, 5; пластины 16 и пружины 17- фиг. 4, 5; отжимающих лопасти 8 - фиг. 1 к корпусу 1- фиг. 1, 2. Ротор 4 установлен в полости корпуса 1 на подшипниках 7, 10 и зафиксирован от продольного/осевого перемещения резьбовыми кольцами 6 - фиг. 2. Щеки корпуса 2, 12 -фиг. 1, 2- имеют окна: впускные "3", выпускные "В" и продувочные "П". The proposed “Rotary Cylinder-Piston Internal Combustion Engine” consists of a housing - FIG. 12; cheeks of the front housing 5 and rear 12 -Fig. 12; front support housing 2 and rear 3 -Fig. one; rotor with a shaft 4 -Fig. 12; threaded rings 6 2; pillow block bearings 7; persistent 10 2; rotor blades 8 -Fig. one; seal rings 9 with spring rings 11 - FIG. 2; copiers 13 2. The blades 8 of FIG. 1 prefabricated and consist of two plates 14, 15 -Fig. 2, 3, 4, 5; 18 springs 4, 5; plates 16 and springs 17 - FIG. 4, 5; squeezing blades 8 - FIG. 1 to the housing 1 - FIG. 1, 2. The rotor 4 is installed in the cavity of the housing 1 on bearings 7, 10 and is fixed from longitudinal / axial movement by threaded rings 6 - FIG. 2. The cheeks of the housing 2, 12 -Fig. 1, 2- have windows: inlet "3", outlet "B" and blowdown "P".

Роторный корпусно-поршневой двигатель работает следующим образом. При вращении ротора в опорах 7 и 10 пластины 16 скользят по поверхности копиров 13, отжимая лопасти 8 к поверхности корпуса 1, а пластины 14, 15 пружиной 18 прижимаются к поверхности щек 5, 12. При положении главного радиус-вектора в нулевом положении объем рабочей полости имеет максимальную величину, в это время происходит ее закрытие и начинается процесс сжатия, который заканчивается при достижении ротором угла поворота 90^o, в этом положении ротора 4 рабочая полость имеет минимальный объем и начинается процесс горения рабочей смеси. От угла поворота 90^o до угла поворота 158^o протекает процесс горения-расширения, который сменяется процессом выпуска. Выпуск происходит от угла 158^o до угла поворота главного вектора 277^o 30', перекрываясь с угла поворота 202^o 30' процессом продувки, которая заканчивается при повороте вектора до 270^o, обеспечивая полную очистку рабочей полости от продуктов сгорания. С угла поворота 225^o рабочая полость входит в зону перехода и выходит из нее при достижении вектором угла поворота 315^o. В зоне перехода, при проходе через нее рабочей полости, образуются участки P1-пониженного давления и P2-повышенного давления, что исключает утечку свежего заряда в зону продувки. Процесс впуска начинается с угла поворота радиус-вектора 270^o и заканчивается при угле поворота 360^o. Из диаграммы протекания рабочего процесса можно сделать вывод, что во время работы двигателя одновременно в различных рабочих полостях со сдвигом 45^o одновременно интенсивно протекают все рабочие процессы. Зона впуска отделена от зоны горения рабочей полостью, находящейся в фазе сжатия, что гарантирует от прорыва продуктов сгорания в зону впуска. Продувка осуществляется атмосферным воздухом, принудительно подаваемым в зону продувки за счет прокачки его в зону пониженного давления выхлопного коллектора.Rotary housing piston engine operates as follows. When the rotor rotates in the supports 7 and 10, the plates 16 slide along the surface of the copiers 13, pressing the blades 8 to the surface of the housing 1, and the plates 14, 15 are pressed by the spring 18 to the surface of the cheeks 5, 12. When the main radius vector is in the zero position, the working volume cavity has a maximum value, at this time it closes and the compression process begins, which ends when the rotor reaches a rotation angle of 90 ^o , in this position of the rotor 4, the working cavity has a minimum volume and the combustion process begins. From the angle of rotation of 90 ^o to the angle of rotation of 158 ^{o there} is a combustion-expansion process, which is replaced by the exhaust process. The release occurs from an angle of 158 ^o to the angle of rotation of the main vector 277 ^o 30 ', overlapping with an angle of rotation of 202 ^o 30' by the purge process, which ends when the vector is rotated to 270 ^o , providing complete cleaning of the working cavity from combustion products. From a rotation angle of 225 ^{o, the} working cavity enters and leaves the transition zone when the vector reaches a rotation angle of 315 ^o . In the transition zone, when the working cavity passes through it, sections of P1-reduced pressure and P2-increased pressure are formed, which eliminates the leakage of fresh charge into the purge zone. The intake process begins with a rotation angle of the radius vector of 270 ^o and ends with a rotation angle of 360 ^o . From the diagram of the flow of the working process, we can conclude that during engine operation simultaneously in different working cavities with a shift of 45 ^o at the same time all work processes intensively occur. The intake zone is separated from the combustion zone by a working cavity in the compression phase, which ensures that the combustion products do not break into the intake zone. The purge is carried out with atmospheric air, forcibly supplied to the purge zone by pumping it into the low pressure zone of the exhaust manifold.

Основным показателем экономической эффективности двигателя является удельный расход топлива
g_e= 3600/H_иη_e [2],
где H_н - низшая теплота сгорания топлива:
η_e - эффективный КПД двигателя
η_e= η_iη_м,
где η_i - индикаторный КПД;
η_м - механический КПД.The main indicator of the economic efficiency of the engine is the specific fuel consumption
g _e = 3600 / H _and η _e [2],
where H _n - net calorific value of fuel:
η _e - effective engine efficiency
η _e = η _i η _m ,
where η _i is the indicator efficiency;
η _m - mechanical efficiency.

У роторных двигателей механический КПД выше, чем у поршневых, и достигает 85 - 90%, а значит, и удельный расход топлива будет ниже. При полной очистке рабочих объемов увеличится литровая мощность двигателя, а за счет устранения потерь свежего заряда снизится эксплуатационный расход топлива, что при значительном снижении габаритов и веса двигателя неизбежно даст положительный эффект. In rotary engines, the mechanical efficiency is higher than in piston engines and reaches 85 - 90%, which means that the specific fuel consumption will be lower. With a full cleaning of the working volumes, the engine's liter capacity will increase, and by eliminating the fresh charge losses, the operating fuel consumption will decrease, which with a significant reduction in the size and weight of the engine will inevitably have a positive effect.

Claims

A rotary housing-piston internal combustion engine comprising a housing with a cylindrical internal cavity, a circular cylindrical rotor with blades, characterized in that the working cavities (volumes) are located around the perimeter of the rotor, a cyclic change in the volume of the working cavities is made by the cylindrical surface of the housing, having a closed cross section an ellipse type curve with a smoothly varying radius vector of the generator, depending on the angle of rotation of the rotor has two additional valve timing - phase roduvki and the transition phase, the radial position of the blades is controlled by the cam.