RU2209323C1

RU2209323C1 - Rotary internal combustion engine

Info

Publication number: RU2209323C1
Application number: RU2001130426/06A
Authority: RU
Inventors: А.В. Быстров
Original assignee: Быстров Александр Васильевич
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: proposed engine has stator, rotor with sealing plates engaging with projections and cavities on inner profile surface of stator and forming, together with face covers of stator, surface of rotor and profiled surface of stator, working chambers with intake and delivery zones, working chambers of fuel mixture intake-ignition with zone of additional compression and exhaust gases expansion and discharge chambers. According to invention clearance made between projections of stator profiled surface and rotor serves to pass compressed air from additional compression zone in which rarefaction is built to deliver fuel. Sealing plates on ends adjoining inner profiled surface of stator are provided with articulated movable seals. Sealing plates are provided with through cross cut ensuring movability of plates lengthwisely. EFFECT: improved efficiency of engine operation. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к силовым установкам, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания. The invention relates to power plants, namely to rotary internal combustion engines.

Изобретение может быть использовано на автотранспортных средствах, тракторах, на переносных малогабаритных электроагрегатах, насосах и т.п., а также в авиации, в том числе и для сверхлегкой авиации и др. The invention can be used on motor vehicles, tractors, portable small-sized electric units, pumps, etc., as well as in aviation, including for ultralight aviation, etc.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент WO 99/60257, МПК F 02 В 53/00, 55/14), содержащий ротор с пластинами, вращающийся в статоре с циклоидной поверхностью, обращенной к ротору. При этом пластины выполнены с возможностью их радиального перемещения в роторе и снабжены устройствами их уплотнения с ротором и циклоидной поверхностью статора, а сами пластины имеют решетчатое строение с выполненными в них каналами для подачи масла на внутреннюю поверхность статора. Статор выполнен с водяным охлаждением. Known rotary internal combustion engine (see patent WO 99/60257, IPC F 02 B 53/00, 55/14) containing a rotor with plates, rotating in a stator with a cycloid surface facing the rotor. Moreover, the plates are made with the possibility of their radial movement in the rotor and equipped with devices for their sealing with the rotor and the stator cycloid surface, and the plates themselves have a lattice structure with channels made for supplying oil to the inner surface of the stator. The stator is water-cooled.

Однако в указанном двигателе при данной форме камеры сгорания не достигается равномерное сгорание топливной смеси. Конструкция, в которой организована цикличная работа двигателя, сказывается как на снижении КПД двигателя, так и на его ресурсе и мощности. Двигатель работает с подводом тепла при постоянном объеме, что обусловливает высокую температуру и высокое давление, поэтому необходимо водяное охлаждение двигателя. Хотя наличие шестнадцати камер сгорания, предусмотренных в двигателе, и сглаживает до некоторой степени неравномерность вращательного момента, однако полностью не устраняет ее. Кроме того, двигатель, в котором предусмотрено водяное охлаждение, а пластины имеют сложную решетчатую структуру со смазочными каналами и подъемными приспособлениями, конструктивно сложен в изготовлении и требует больших затрат при его эксплуатации. However, in the specified engine with this form of the combustion chamber, uniform combustion of the fuel mixture is not achieved. The design, in which the cyclical operation of the engine is organized, affects both the reduction in engine efficiency, and its resource and power. The engine works with heat supply at a constant volume, which causes high temperature and high pressure, so water cooling of the engine is necessary. Although the presence of sixteen combustion chambers provided in the engine, and to some extent smooths out the unevenness of the torque, however, it does not completely eliminate it. In addition, the engine, which provides for water cooling, and the plates have a complex lattice structure with lubricating channels and lifting devices, are structurally difficult to manufacture and require high costs during its operation.

Учитывая наличие указанных дополнительных устройств (водяного охлаждения, подъемных приспособлений и др.), двигатель имеет значительную массу, что не позволяет достигнуть максимальной удельной мощности. Given the presence of these additional devices (water cooling, lifting devices, etc.), the engine has a significant mass, which does not allow to achieve maximum power density.

Наиболее близкая к заявляемому решению силовая установка роторного двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ 2126898, МПК F 02 В 53/02, F 01 С 1/344), содержащая статор с профилированной направляющей в виде замкнутой кривой переменного радиуса, ротор, уплотнительные пластины, установленные в роторе с возможностью радиального перемещения, взаимодействующие с выступами и впадинами профилированной направляющей и образующие вместе с неподвижными дисками рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, рабочие камеры впуска-воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов, всасывания-сжатия и перепуска топливной смеси, свечи зажигания, размещенные в статоре в начальных зонах камер впуска-воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов, перепускные каналы, при этом установка снабжена уплотнителями, размещенными на выступах профилированной направляющей, рабочие камеры впуска-воспламенения топливной смеси и выпуска отработавших газов, всасывания-сжатия и перепуска топливной смеси образованы уплотнителями, неподвижными дисками и уплотнительными пластинами, которые размещены в роторе по меньшей мере парно и параллельны между собой, а перепускные каналы выполнены в профилированной направляющей, на выходах которых размещены обратные клапаны. Closest to the claimed solution, the power plant of a rotary internal combustion engine (see RF patent 2126898, IPC F 02 B 53/02, F 01 C 1/344), containing a stator with a profiled guide in the form of a closed curve of variable radius, a rotor, sealing plates mounted in the rotor with the possibility of radial movement, interacting with the protrusions and depressions of the profiled guide and forming, together with the fixed disks, working chambers with inlet and discharge zones, working chambers of the inlet-ignition of the fuel mixture si and exhaust gas, suction-compression and bypass of the fuel mixture, spark plugs placed in the stator in the initial zones of the inlet-ignition chambers of the fuel mixture and exhaust gas, bypass channels, while the installation is equipped with seals placed on the protrusions of the profiled guide, workers the inlet-ignition chambers of the fuel mixture and the exhaust gas, suction-compression and bypass of the fuel mixture are formed by seals, fixed disks and sealing plates, a cat rye arranged in the rotor at least in pairs and parallel to each other, and passageways formed in the profiled rail, at the outputs of which check valves are arranged.

В указанной силовой установке применяемые формы рабочих камер, система перепускных каналов и пружинные перемещения уплотнительных пластин не позволяют создать непрерывный режим работы установки, что отрицательно сказывается на работе силовой установки и ее ресурсе, а также обусловливает ее низкий механический КПД. In the specified power plant, the applied forms of the working chambers, the system of bypass channels and spring movements of the sealing plates do not allow to create a continuous mode of operation of the installation, which negatively affects the operation of the power plant and its resource, and also determines its low mechanical efficiency.

Поскольку в камере сгорания подвод тепла смешанный, в ней создаются высокое давление (до 60 кг/см²) и высокая температура (до 1800^oС). Установка снабжена системой для подготовки топливной смеси, специальными клапанами с системой их синхронизации и системой водяного охлаждения, что усложняет конструкцию, увеличивает массу и снижает надежность работы установки при ее эксплуатации. Кроме того, высокая температура в камерах сгорания требует применения высокопрочных жаростойких материалов, что значительно удорожает конструкцию.Since the heat supply is mixed in the combustion chamber, high pressure (up to 60 kg / cm ² ) and high temperature (up to 1800 ^o C) are created in it. The installation is equipped with a system for preparing the fuel mixture, special valves with their synchronization system and a water cooling system, which complicates the design, increases weight and reduces the reliability of the installation during its operation. In addition, the high temperature in the combustion chambers requires the use of high-strength heat-resistant materials, which significantly increases the cost of the design.

В основу настоящего изобретения положена задача создания роторного двигателя внутреннего сгорания в таком конструктивном выполнении рабочих камер и уплотнительных пластин, чтобы обеспечить непрерывную работу двигателя, снизить температуру горения рабочей смеси и давление в рабочих камерах, повысить КПД и упростить конструкцию. The basis of the present invention is the creation of a rotary internal combustion engine in such a structural embodiment of the working chambers and sealing plates to ensure continuous operation of the engine, reduce the combustion temperature of the working mixture and pressure in the working chambers, increase efficiency and simplify the design.

Указанная задача решается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор с внутренней профилированной поверхностью переменного радиуса, ротор, уплотнительные пластины, установленные в роторе с возможностью радиального перемещения, взаимодействующие с выступами и впадинами внутренней профилированной поверхности статора и образующие вместе с торцевыми крышками статора, поверхностью ротора, профилированной поверхностью статора рабочие камеры с зонами впуска и нагнетания, рабочие камеры впуска-воспламенения горючей смеси с зоной дополнительного сжатия, камеры расширения и выпуска отработавших газов и свечи зажигания, размещенные в статоре, согласно изобретению между выступами профилированной поверхности статора и ротором выполнен зазор для перепуска через него сжатого воздуха, в котором создается разрежение для подачи топлива, а уплотнительные пластины, свободно перемещающиеся в радиальном направлении, на концах, примыкающих к внутренней профилированной поверхности статора, снабжены шарнирно-подвижными уплотнениями, при этом уплотнительные пластины выполнены со сквозным поперечным разрезом, обеспечивающим подвижность указанных пластин по их длине. This problem is solved in that in a rotary internal combustion engine containing a stator with an internal profiled surface of variable radius, the rotor, sealing plates mounted in the rotor with the possibility of radial movement, interacting with the protrusions and depressions of the internal profiled surface of the stator and forming together with the end caps of the stator , the surface of the rotor, the profiled surface of the stator, the working chambers with zones of inlet and discharge, the working chamber of the inlet-ignition the mixture with the additional compression zone, the expansion chamber and exhaust gas and spark plugs placed in the stator, according to the invention, between the protrusions of the profiled surface of the stator and the rotor there is a gap for passing compressed air through it, in which a vacuum is created to supply fuel, and the sealing plates freely moving in the radial direction, at the ends adjacent to the inner profiled surface of the stator, are equipped with articulated-movable seals, while the sealant s plates are formed with through cross section, providing the mobility of said plates along their length.

Выполнение зазора между выступами профилированной поверхности статора и ротором позволяет создать разрежение в зазоре и вблизи него, что обеспечивает впуск топлива без каких-либо дополнительных устройств. The gap between the protrusions of the profiled surface of the stator and the rotor allows you to create a vacuum in the gap and near it, which provides fuel inlet without any additional devices.

Выполнение уплотнительных пластин, свободно перемещающихся в радиальном направлении под действием центробежных сил, обеспечивает плотное прижатие уплотнительных пластин к внутренней профилированной поверхности статора. Размещение шарнирно-подвижного уплотнения на каждой уплотнительной пластине, а также сквозной поперечный разрез указанных пластин обеспечивают герметичность рабочих камер. The implementation of the sealing plates, freely moving in the radial direction under the action of centrifugal forces, provides a tight pressing of the sealing plates to the inner profiled surface of the stator. The placement of the articulated-movable seal on each sealing plate, as well as the through cross section of these plates, ensure the tightness of the working chambers.

Такое конструктивное выполнение двигателя позволяет обеспечить непрерывное горение горючей смеси, что обусловливает заданный равномерный вращающийся момент. Such a structural embodiment of the engine allows for continuous combustion of the combustible mixture, which leads to a given uniform rotating moment.

По одному из вариантов выполнения роторного двигателя внутреннего сгорания шарнирно-подвижное уплотнение имеет выемку, открытой стороной обращенную к внутренней профилированной поверхности статора. According to one embodiment of the rotary internal combustion engine, the articulated-movable seal has a recess, the open side facing the inner profiled surface of the stator.

Такое конструктивное выполнение шарнирно-подвижного уплотнения позволяет уменьшить площадь касания уплотнительной пластины и профилированной поверхности статора и, следовательно, уменьшить силу трения и обеспечить сбор смазочного материала. Such a constructive implementation of the articulated-movable seal allows to reduce the contact area of the sealing plate and the profiled surface of the stator and, therefore, reduce the friction force and ensure the collection of lubricant.

Указанные выше и другие преимущества, а также особенности настоящего изобретения будут более понятными после рассмотрения приведенного ниже подробного описания, сопровождаемого чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает роторный двигатель внутреннего сгорания (поперечный разрез), выполненный согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 - то же, что на фиг.1, уплотнительная пластина с вырезом по поперечному сквозному разрезу;
фиг.3 - то же, что на фиг.2 (поперечный разрез);
фиг.4 - то же, что на фиг.2 (продольный разрез).The above and other advantages, as well as features of the present invention will be more apparent after consideration of the following detailed description, accompanied by drawings, in which:
FIG. 1 shows a rotary internal combustion engine (cross section) made according to the present invention;
FIG. 2 - the same as in figure 1, the sealing plate with a cutout in the transverse through section;
figure 3 is the same as in figure 2 (cross section);
figure 4 is the same as in figure 2 (longitudinal section).

Роторный двигатель внутреннего сгорания включает статор 1 (фиг.1) с внутренней профилированной поверхностью 2 переменного радиуса, ротор 3, уплотнительные пластины 4, установленные в роторе 3 с возможностью их свободного радиального перемещения, взаимодействующие с выступами 5 и впадинами 6 внутренней профилированной поверхности 2 статора 1 и образующие вместе с торцевыми крышками (не показано) статора 1, поверхностью ротора 3, профилированной поверхностью 2 статора 1 и уплотнительными пластинами 4 рабочие камеры с зонами впуска А и нагнетания В, в которых происходит всасывание-сжатие воздуха, рабочие камеры впуска-воспламенения С и D, в которых происходит дополнительное сжатие воздуха и воспламенение горючей смеси, и расширения и выпуска Е и F отработавших газов, свечи 7 зажигания (запальные свечи), размещенные в статоре 1. Между выступами 5 профилированной поверхности 2 статора 1 и ротором 3 выполнен зазор 8 для перепуска через него сжатого воздуха из зоны дополнительного сжатия и создания разрежения для подачи топлива. Подвод топлива осуществляется через патрубки 9 за счет разрежения в зазоре 8. Для более оптимального смешивания топлива и воздуха патрубки 9 расположены равномерно по длине статора 1. Ротор 3 установлен на вал 10. На уплотнительных пластинах 4 установлены шарнирно-подвижные уплотнения 11 (фиг. 1, 2, 3), имеющие выемку 12 (фиг.3), обращенную открытой стороной к внутренней профилированной поверхности 2 (фиг.1) статора 1. Уплотнительные пластины 4 (фиг.2 и 4) выполнены с разрезом 13, обеспечивающим подвижность каждой пластины 4 по ее длине, что исключает затирание пластин 4 между торцевыми крышками (не показано) статора 1 (фиг.1) и герметичность рабочих камер. Пружины 14 (фиг.2 и 4), установленные в уплотнительной пластине 4, позволяют обеспечить плотное прижатие указанных пластин 4 к торцевым крышкам (не показано) статора 1 (фиг.1). В выемке 12 (фиг.3) шарнирно-подвижного уплотнения 11 собирается смазочный материал, который по каналам (не показано), расположенным в уплотнительных пластинах 4, за счет их возвратно-поступательного движения поступает во внутреннюю полость 15 (фиг.1) ротора 3, и за счет центробежной силы смазочный материал движется к профилированной поверхности 2 статора 1, тем самым обеспечивая циркуляцию смазочного материала вокруг уплотнительных пластин 4. В торцевых крышках (не показано) статора 1 с одной стороны выполнены впускные окна 16 (для воздуха), а с другой - выпускные окна 17 (для отработавших газов). Двигатель снабжен ребрами 18 воздушного охлаждения, радиально расположенными по длине статора 1. В патрубках 9 установлены клапаны 19. The rotary internal combustion engine includes a stator 1 (Fig. 1) with an internal profiled surface 2 of variable radius, a rotor 3, sealing plates 4 mounted in the rotor 3 with the possibility of their free radial movement, interacting with the protrusions 5 and depressions 6 of the internal profiled surface 2 of the stator 1 and forming together with the end caps (not shown) of the stator 1, the surface of the rotor 3, the profiled surface 2 of the stator 1 and the sealing plates 4 working chambers with zones of inlet A and discharge B, in which there is suction-compression of air, working chambers of inlet-ignition C and D, in which additional compression of air and ignition of the combustible mixture, and expansion and exhaust of E and F of exhaust gases, spark plugs 7 (glow plugs) are placed in stator 1. Between the protrusions 5 of the profiled surface 2 of the stator 1 and the rotor 3, a gap 8 is made for passing compressed air through it from the additional compression zone and creating a vacuum for fuel supply. The fuel is supplied through the nozzles 9 due to rarefaction in the gap 8. For a more optimal mixing of fuel and air, the nozzles 9 are evenly distributed along the length of the stator 1. The rotor 3 is mounted on the shaft 10. On the sealing plates 4 are mounted hinged-movable seals 11 (Fig. 1 , 2, 3) having a recess 12 (FIG. 3), the open side facing the inner profiled surface 2 (FIG. 1) of the stator 1. The sealing plates 4 (FIGS. 2 and 4) are made with a cut 13, which ensures the mobility of each plate 4 along its length, which eliminates paste the plates 4 between the end caps (not shown) of the stator 1 (Fig. 1) and the tightness of the working chambers. The springs 14 (FIGS. 2 and 4) installed in the sealing plate 4, allow for a tight pressing of these plates 4 to the end caps (not shown) of the stator 1 (FIG. 1). In the recess 12 (figure 3) of the articulated-movable seal 11, lubricant is collected, which through channels (not shown) located in the sealing plates 4, due to their reciprocating movement, enters the internal cavity 15 (figure 1) of the rotor 3 , and due to centrifugal force, the lubricant moves to the profiled surface 2 of the stator 1, thereby circulating the lubricant around the sealing plates 4. In the end caps (not shown) of the stator 1, inlet windows 16 (for air) are made on one side, and with other goy - exhaust ports 17 (for exhaust gases). The engine is equipped with fins 18 of air cooling radially located along the length of the stator 1. In the nozzles 9 valves 19 are installed.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. The operation of the engine is as follows.

При движении ротора 3 (фиг.1) по стрелке в зоне А происходит впуск свежего воздуха через окна 16, в зоне В происходит его сжатие, в зоне С - дополнительное сжатие и перепуск в зону D через зазор 8; при протекании воздуха через зазор 8 в нем происходит разрежение, и топливо, поступающее через патрубки 9, за счет указанного разрежения смешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Горючая смесь воспламеняется свечей 7 зажигания (запальной свечей) однократно. Дальнейшее зажигание горючей смеси происходит за счет раскаленных частиц в зоне D. При сгорании топлива в зоне D создается давление, которое приводит в движение ротор 3. В зоне Е происходит дальнейшее расширение газа, которое совершает дополнительную работу, приводя во вращение ротор 3. В зоне F происходит полное удаление остаточных газов. Далее процесс повторяется. When the rotor 3 (Fig. 1) moves in the direction of arrow A, fresh air is introduced through the windows 16, it is compressed in zone B, and additional compression and transfer to zone D through gap 8 occurs in zone C; when air flows through the gap 8, a rarefaction occurs in it, and the fuel entering through the nozzles 9, due to the specified rarefaction, mixes with air, forming a combustible mixture. The combustible mixture is ignited by the spark plugs 7 (ignition spark plugs) once. Further ignition of the combustible mixture occurs due to incandescent particles in zone D. When the fuel is burned in zone D, a pressure is created that drives rotor 3. In zone E, further expansion of the gas takes place, which does additional work, leading the rotor 3 to rotate. In the zone F there is a complete removal of residual gases. The process is then repeated.

Как это видно из представленных чертежей и описания работы двигателя, процесс его работы организован непрерывно. Несмотря на то что термический КПД при подводе тепла при постоянном давлении ниже чем при смешанном подводе тепла или при постоянном объеме, общий КПД выше за счет снижения сил трения (рабочее давление ниже), а также ниже рабочая температура в камере сгорания, что позволяет использовать воздушное охлаждение, а также использовать более дешевые материалы, например пластмассы, покрытые износоустойчивым металлом, что в совокупности повышает удельную мощность двигателя, упрощает его конструкцию и повышает технологичность в изготовлении и эксплуатации. Все вышеперечисленное приводит к экологически чистому выхлопу (водяные пары и углекислый газ), отсутствию в выхлопе окиси углерода и низкому содержанию в нем окислов азота. As can be seen from the drawings and descriptions of the engine, the process of its operation is organized continuously. Despite the fact that the thermal efficiency during heat supply at a constant pressure is lower than with mixed heat supply or at a constant volume, the overall efficiency is higher due to a decrease in the friction forces (working pressure is lower), as well as a lower working temperature in the combustion chamber, which allows the use of air cooling, as well as the use of cheaper materials, such as plastics, coated with wear-resistant metal, which together increases the specific power of the engine, simplifies its design and improves manufacturability and manufacturing pluatatsii. All of the above leads to environmentally friendly exhaust (water vapor and carbon dioxide), the absence of carbon monoxide in the exhaust and a low content of nitrogen oxides in it.

Кроме того, конструкция двигателя не требует вспомогательных устройств (топливного насоса высокого давления, форсунок, карбюраторов, клапанных устройств и их приводов и т.п.), что приводит к упрощению конструкции и повышению удельной мощности двигателя. In addition, the engine design does not require auxiliary devices (high-pressure fuel pump, nozzles, carburetors, valve devices and their drives, etc.), which leads to a simplification of the design and increase the specific power of the engine.

Данный двигатель может работать при низких оборотах (десятки оборотов в минуту), что обеспечивает низкий расход топлива при холостых оборотах. Кроме того, двигатель имеет высокий крутящий момент при невысоких максимальных оборотах (2500 об/мин), что дает возможность использовать его в сверхлегкой авиации без редукторов. Расчеты показали, что при диаметре ротора 200 мм, длине пластин 100 мм и массе 5 кг максимальная мощность достигается, ориентировочно, в 100 л.с. при максимальных оборотах 2500 об/мин, что делает его незаменимым для использования в сверхлегких летательных аппаратах. При этом, как это очевидно, при увеличении диаметра двигателя количество рабочих зон может быть не только двукратным, но и трехкратным и т.д., что повышает удельную и общую мощность и крутящий момент. This engine can operate at low speeds (tens of revolutions per minute), which ensures low fuel consumption at idle. In addition, the engine has high torque at low maximum speeds (2500 rpm), which makes it possible to use it in ultralight aviation without gears. The calculations showed that with a rotor diameter of 200 mm, a plate length of 100 mm and a mass of 5 kg, maximum power is reached, approximately 100 hp. at a maximum speed of 2500 rpm, which makes it indispensable for use in ultralight aircraft. Moreover, as it is obvious, with an increase in the diameter of the engine, the number of working zones can be not only double, but also triple, etc., which increases the specific and total power and torque.

Claims

1. A rotary internal combustion engine containing a stator with an internal profiled surface of variable radius, a rotor, sealing plates mounted in the rotor with the possibility of radial movement, interacting with the protrusions and depressions of the internal profiled surface of the stator and forming together with the end caps of the stator, the rotor surface and the profiled stator surface, working chambers with inlet and discharge zones, working chambers of the inlet-ignition of a combustible mixture with an additional zone o compression, expansion chamber and exhaust gas, and spark plugs placed in the stator, characterized in that between the protrusions of the profiled surface of the stator and the rotor there is a gap for passing through it compressed air from the additional compression zone, in which a vacuum is created to supply fuel, the sealing plates, freely moving in the radial direction, at the ends adjacent to the inner profiled surface of the stator, are equipped with hinged-movable seals, while the sealing the plates are made with a cross-section through, providing mobility of the plates along their length.

2. The rotary internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the articulated-movable seals have a recess, the open side facing the inner profiled surface of the stator.