RU2360135C2

RU2360135C2 - Rotary piston internal combustion engine

Info

Publication number: RU2360135C2
Application number: RU2007133864/06A
Authority: RU
Inventors: Константин Владимирович Пилипака (RU); Константин Владимирович Пилипака
Original assignee: Открытое акционерное общество "КАМАЗ"
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2009-06-27
Also published as: RU2007133864A

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: rotary piston internal combustion engine consists of a housing with side cover, rotor with cylindrical extension, combustion chamber, air supply channels and combustion products exhaust channels, spring-loaded hard piston and cam-shaft gear for hard piston drive. The combustion chamber is represented as a part of engine capacity. The hard piston is installed in the groove made in the housing. There is a pre-chamber in the housing wall connected with engine capacity and combustion chamber by means of inlet and outlet chambers provided with pilot spools. The inlet and outlet channels are placed at the opposite sides from the hard piston. The said hard piston is provided with an open-end hole. The cam-shaft gear is installed in the said hole and represented as a cam shaft. The cam shaft is parallel to the rotor and is in cinematic connection with it. The fuel injector and spark plug are installed in the pre-chamber. There are plates installed on the working surfaces of the cylindrical rotor extension and hard piston.

EFFECT: simplified structure, improved reliability and service life of engine.

11 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для привода транспортных средств и различных силовых установок.The invention relates to engine building and can be used to drive vehicles and various power plants.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрической внутренней поверхностью, ротор с профилированной рабочей поверхностью, частично взаимодействующей с поверхностью корпуса, камеру расширения, камеру сгорания, выполненную в стенке корпуса и соединенную посредством зева с камерой расширения, подпружиненный отсекатель, установленный в направляющем пазу, выполненном в стенке корпуса, а также источники топлива и сжатого воздуха, сообщенные с камерой сгорания (см. патент РФ №2015375, МПК⁵ F02B 53/00, опубл. 30.06.1994).Known rotary internal combustion engine containing a housing with a cylindrical inner surface, a rotor with a profiled working surface partially interacting with the surface of the housing, an expansion chamber, a combustion chamber made in the wall of the housing and connected by a pharynx to the expansion chamber, a spring-loaded cutter installed in the guide groove made in the wall of the housing, as well as sources of fuel and compressed air in communication with the combustion chamber (see RF patent No. 20155375, IPC ⁵ F02B 53/00, publ. 30.06.1994).

В известной конструкции рабочий объем образуется поверхностями ротора, отсекателя и корпуса, при этом отсекатель находится в постоянном контакте с профилированной поверхностью ротора. Усилие, необходимое для обеспечения герметичности линейного контакта отсекателя и ротора, должно быть достаточно большим, чтобы избежать прорыва газов в смежный рабочий объем двигателя. Это, наряду с изменением контактных напряжений по углу приложения и усилию (с учетом профилированной поверхности ротора), приводит к повышенному износу контактных поверхностей ротора и отсекателя, что снижает ресурс и надежность двигателя в целом.In a known construction, the working volume is formed by the surfaces of the rotor, cutter and housing, while the cutter is in constant contact with the profiled surface of the rotor. The force required to ensure the tightness of the linear contact of the cutter and the rotor must be large enough to avoid breakthrough of gases in the adjacent engine displacement. This, along with a change in contact stresses along the angle of application and force (taking into account the profiled surface of the rotor), leads to increased wear of the contact surfaces of the rotor and the shutoff, which reduces the resource and reliability of the engine as a whole.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство для привода компрессора, выполненное в виде корпуса с торцевыми крышками и расположенного в нем ротора. В корпусе двигателя выполнен паз на длину ротора, в который установлен упор, приводимый с помощью кулачкового привода, по разные стороны от упора расположены два коллектора для выпуска продуктов сгорания. Ротор двигателя выполнен с цилиндрическим уступом и имеет окно и радиальные каналы для подачи воздуха в камеру сгорания, которая представляет собой рабочий объем двигателя, образованный между упором и цилиндрическим уступом ротора при повороте последнего на угол, равный углу окна. В торцевых крышках выполнены впускные коллекторы и камеры для сжатого высокотемпературного воздуха, подаваемого от воздушного компрессора по трубопроводу. В крышках выполнены также отверстия для подачи воздуха в окно ротора и отверстия для воздушного торцевого уплотнения. Подача топлива в камеру сгорания производится с помощью форсунки от топливного насоса (см. патент РФ №2143571, МПК⁶ F02B 53/14, опубл. 27.12.1999).The closest to the claimed technical solution for the totality of the essential features and the technical result achieved is a compressor drive device made in the form of a housing with end caps and a rotor located in it. A groove is made in the engine housing for the length of the rotor, into which an emphasis is set, driven by a cam drive, on two sides of the emphasis are two collectors for the release of combustion products. The rotor of the engine is made with a cylindrical ledge and has a window and radial channels for supplying air to the combustion chamber, which is the working volume of the engine formed between the stop and the cylindrical ledge of the rotor when the latter is rotated by an angle equal to the corner of the window. The end caps have intake manifolds and chambers for compressed high-temperature air supplied from the air compressor through a pipeline. The covers also have openings for supplying air to the rotor window and openings for the air mechanical seal. The fuel is supplied to the combustion chamber using a nozzle from the fuel pump (see RF patent No. 2143571, IPC ⁶ F02B 53/14, publ. 12/27/1999).

Недостатком известного технического решения является то, что для сжатия воздуха применяется внешний компрессор, что в целом усложняет конструкцию двигателя, кроме того, в данной конструкции впрыск топлива возможен только после отсечения впускных каналов, в результате чего при работе двигателя воспламенение рабочей смеси с последующим повышением давления сгорания происходит в постоянно увеличивающемся объеме камеры сгорания, т.е. увеличение объема камеры сгорания препятствует на начальном этапе нарастанию давления (давления на цилиндрический уступ ротора), что приводит к заметному снижению мощности двигателя, особенно на высоких частотах вращения.A disadvantage of the known technical solution is that an external compressor is used to compress the air, which generally complicates the design of the engine, in addition, in this design, fuel injection is possible only after cutting off the intake channels, as a result of which when the engine is running, ignition of the working mixture with subsequent pressure increase combustion takes place in an ever-increasing volume of the combustion chamber, i.e. an increase in the volume of the combustion chamber prevents the increase in pressure (pressure on the cylindrical ledge of the rotor) at the initial stage, which leads to a noticeable decrease in engine power, especially at high speeds.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является упрощение конструкции, обеспечение достаточной мощности двигателя на высоких частотах вращения, а также увеличение надежности и долговечности двигателя.The task to which the claimed technical solution is directed is to simplify the design, ensure sufficient engine power at high speeds, as well as increase the reliability and durability of the engine.

Для решения поставленной задачи в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с торцевой крышкой, расположенный в корпусе ротор с цилиндрическим выступом, камеру сгорания, представляющую собой часть рабочего объема двигателя, каналы для подачи воздуха и выпуска продуктов сгорания, подпружиненный упор-поршень, установленный в пазу, выполненном в корпусе, кулачковый механизм для привода упора-поршня, в стенке корпуса выполнена предкамера, соединенная с рабочим объемом двигателя и камерой сгорания с помощью снабженных управляющими золотниками входного и выходного каналов, расположенных по разные стороны от упора-поршня, выполненного со сквозным отверстием, при этом кулачковый механизм установлен в указанном отверстии и выполнен в виде кулачкового вала, расположенного параллельно ротору и соединенного с ним кинематической связью, кроме того, в предкамере установлены топливная форсунка и свеча зажигания, а на рабочих поверхностях цилиндрического выступа ротора и упора-поршня установлены пластины.To solve the problem in a rotary piston internal combustion engine containing a housing with an end cap located in the housing of the rotor with a cylindrical protrusion, a combustion chamber, which is part of the engine’s working volume, channels for supplying air and exhausting combustion products, a spring-loaded stop piston, installed in a groove made in the housing, a cam mechanism for driving the stop piston; a pre-chamber is made in the housing wall connected to the engine displacement and the combustion chamber by means of the control spools of the input and output channels located on opposite sides of the stop piston made with a through hole, the cam mechanism installed in the specified hole and made in the form of a cam shaft parallel to the rotor and connected to it by a kinematic connection, in addition, a fuel nozzle and a spark plug are installed in the pre-chamber, and plates are installed on the working surfaces of the cylindrical protrusion of the rotor and the stop-piston.

Такая совокупность существенных признаков позволяет упростить конструкцию роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечить достаточную мощность двигателя на высоких частотах вращения, а также увеличить надежность и долговечность двигателя.Such a combination of essential features makes it possible to simplify the design of a rotary piston internal combustion engine, provide sufficient engine power at high rotational speeds, and also increase the reliability and durability of the engine.

Наличие в стенке корпуса предкамеры, где происходит процесс смешения сжатого воздуха с топливом и воспламенение рабочего заряда от искры, обеспечивает поступление в камеру сгорания уже воспламененной смеси, которая сразу же воздействует на выступ ротора, что позволяет избежать потери мощности двигателя.The presence of a prechamber in the housing wall, where the process of mixing compressed air with fuel and ignition of the working charge from the spark, ensures that the already ignited mixture enters the combustion chamber, which immediately acts on the protrusion of the rotor, which avoids loss of engine power.

Установка кулачкового механизма, выполненного в виде кулачкового вала, расположенного параллельно ротору и соединенного с ним кинематической связью в сквозном отверстии упора-поршня, позволяет обеспечить быструю и плавную посадку упора-поршня на поверхность ротора, за счет чего увеличивается надежность и долговечность двигателя в целом.The installation of the cam mechanism, made in the form of a cam shaft, parallel to the rotor and connected with it by a kinematic connection in the through hole of the stop-piston, allows for a quick and smooth landing of the stop-piston on the surface of the rotor, thereby increasing the reliability and durability of the engine as a whole.

Наличие на рабочих поверхностях цилиндрического выступа ротора и упора-поршня пластин обеспечивает компрессию двигателя и исключает возможность прорыва газов, что также отражается на надежности и долговечности двигателя.The presence on the working surfaces of the cylindrical protrusion of the rotor and the stop-piston of the plates provides compression of the engine and eliminates the possibility of gas breakthrough, which also affects the reliability and durability of the engine.

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в аналогах, а их использование в заявляемой совокупности существенных признаков позволяет получить новый технический результат, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».An analysis of the known technical solutions in this technical field showed that the claimed technical solution has features that are not in the analogues, and their use in the claimed combination of essential features allows to obtain a new technical result, therefore, the claimed technical solution meets the conditions of patentability "novelty" and "inventive level".

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:The claimed technical solution is illustrated by the drawings:

фиг.1 - роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания в разрезе;figure 1 - rotary piston internal combustion engine in the context;

фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;figure 2 - section aa in figure 1;

фиг.3-11 - показан принцип работы роторно-поршневого двигателя.figure 3-11 - shows the principle of operation of the rotary piston engine.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с цилиндрическим выступом 2. С одной стороны корпус 1 имеет торцевую стенку, а с другой герметично закрыт крышкой 3. Внутри корпуса 1 на цилиндрическом выступе 2 установлен ротор 4, выполненный с цилиндрическим выступом 5. Ротор 4 поджимается крышкой 3 к торцевой стенке корпуса 1 при помощи болтов 6. Ротор 4 должен свободно вращаться на выступе 2 корпуса 1, при этом не допускается его радиальное и осевое перемещение. Между внутренней стенкой корпуса 1 и ротором 4 образован рабочий объем 7 двигателя.The rotary piston internal combustion engine comprises a housing 1 with a cylindrical protrusion 2. On one side, the housing 1 has an end wall and, on the other, is hermetically closed by a cover 3. Inside the housing 1, a rotor 4 mounted with a cylindrical protrusion 5 is mounted on the cylindrical protrusion 2. Rotor 4 is pressed by the cover 3 to the end wall of the housing 1 using bolts 6. The rotor 4 should rotate freely on the protrusion 2 of the housing 1, while its radial and axial movement is not allowed. Between the inner wall of the housing 1 and the rotor 4 is formed of the working volume 7 of the engine.

Корпус 1 имеет выступающую часть 8, в которой выполнен паз 9. В пазу 9 установлен упор-поршень 10, подпружиненный пружиной 11, прижимающей его к поверхности ротора 4.The housing 1 has a protruding part 8, in which the groove is made 9. In the groove 9 there is an emphasis piston 10, spring-loaded with a spring 11, pressing it against the surface of the rotor 4.

Упор-поршень 10 выполнен со сквозным отверстием 12, в котором установлен кулачковый вал 13, расположенный параллельно ротору 4. Вал 13 и ротор 4 соединены кинематической связью, например, при помощи зубчатых колес, ремня или цепи (на чертеже не показано), при этом один оборот кулачкового вала 13 соответствует одному обороту ротора 4.The stop piston 10 is made with a through hole 12 in which a cam shaft 13 is mounted parallel to the rotor 4. The shaft 13 and the rotor 4 are connected by kinematic coupling, for example, by means of gears, a belt or a chain (not shown in the drawing), while one revolution of the cam shaft 13 corresponds to one revolution of the rotor 4.

В выступающей части 8 корпуса 1 выполнена предкамера 14 в виде замкнутой полости, которая может иметь сферическую, цилиндрическую либо иную соответствующую оптимальному рабочему процессу двигателя форму. В предкамере 14 установлены свеча зажигания 15 и топливная форсунка 16.In the protruding part 8 of the housing 1, the pre-chamber 14 is made in the form of a closed cavity, which may have a spherical, cylindrical or other shape corresponding to the optimal engine operating process. In the pre-chamber 14, a spark plug 15 and a fuel nozzle 16 are installed.

Предкамера 14 посредством входного канала 17 и выходного канала 18, расположенных по разные стороны от упора-поршня 10, соединена соответственно с рабочим объемом 7 двигателя и с камерой сгорания 19, представляющей собой часть рабочего объема двигателя, которая образована между обращенными друг к другу боковыми сторонами упора-поршня 10 и цилиндрического выступа 5 в момент прохождения выступом 5 канала 18 (см. фиг.9).The pre-chamber 14 through the input channel 17 and the output channel 18, located on opposite sides of the stop-piston 10, is connected respectively with the displacement 7 of the engine and with the combustion chamber 19, which is a part of the displacement of the engine, which is formed between the lateral sides facing each other stop-piston 10 and a cylindrical protrusion 5 at the moment of passage of the protrusion 5 of the channel 18 (see Fig.9).

В выступающей части 8 корпуса 1 выполнен канал 20 выпуска отработавших газов и впускной канал 21, связанный с атмосферой.In the protruding part 8 of the housing 1, an exhaust gas channel 20 and an inlet channel 21 are connected to the atmosphere.

Каналы 17, 18, 20 и 21 снабжены управляющими золотниками 22, 23, 24 и 25 соответственно. Привод указанных золотников может осуществляться как от ротора 4 двигателя, так и независимо от него.Channels 17, 18, 20 and 21 are provided with control spools 22, 23, 24 and 25, respectively. The drive of these spools can be carried out both from the rotor 4 of the engine, and independently of it.

Упор-поршень 10 в нижней части имеет отверстие 26 овальной формы для того, чтобы при возвратно-поступательном перемещении упора-поршня 10 не происходило перекрытие канала 17. Канал 17 может быть вынесен за пределы двигателя и сообщаться с рабочим объемом 7 через отверстия в боковой стенке корпуса 1 или в крышке 3.The stop piston 10 in the lower part has an oval-shaped hole 26 so that during the reciprocating movement of the stop piston 10 the channel 17 does not overlap. The channel 17 can be moved outside the engine and communicate with the working volume 7 through openings in the side wall housing 1 or in cover 3.

На рабочих поверхностях цилиндрического выступа 5 и упора-поршня 10 установлены пластины 27, выполняющие функцию компрессионных колец.On the working surfaces of the cylindrical protrusion 5 and the stop-piston 10, plates 27 are installed that perform the function of compression rings.

Роторно-поршневой двигатель работает следующим образом.A rotary piston engine operates as follows.

На фиг.3 показано завершение процесса выпуска отработавших газов с одновременным впуском воздуха. Золотники 24, 23 и 25 открыты.Figure 3 shows the completion of the exhaust process with simultaneous air inlet. Spools 24, 23 and 25 are open.

При приближении выступа 5 ротора 4 к упору-поршню 10 золотники 24, 23 и 25 закрываются, упор-поршень 10 под воздействием кулачка кулачкового вала 13 начинает приподниматься вверх, пропуская под собой выступ 5 (фиг.4).When approaching the protrusion 5 of the rotor 4 to the stop-piston 10, the spools 24, 23 and 25 are closed, the stop-piston 10 under the influence of the cam of the cam shaft 13 starts to rise up, passing under it the protrusion 5 (Fig. 4).

Во время прохода выступа 5 ротора 4 под упором-поршнем 10 открывается золотник 22, ведущий в предкамеру 14. Весь рабочий объем 7 и предкамера 14 заполнены воздухом (фиг.5).During the passage of the protrusion 5 of the rotor 4 under the stop-piston 10, the valve 22 opens, leading to the pre-chamber 14. The entire working volume 7 and the pre-chamber 14 are filled with air (Fig. 5).

Сразу же после прохода выступа 5 ротора 4 упор-поршень 10 опускается и начинается процесс сжатия. Сжимаемый воздух через открытый золотник 22 поступает в предкамеру 14, а через форсунку 16 в предкамеру 14 впрыскивается топливо (фиг.6).Immediately after the passage of the protrusion 5 of the rotor 4, the stop piston 10 is lowered and the compression process begins. Compressed air through the open valve 22 enters the pre-chamber 14, and fuel is injected through the nozzle 16 into the pre-chamber 14 (Fig. 6).

При подходе выступа 5 ротора 4 к упору-поршню 10 золотник 22 закрывается. Большая часть сжатого воздуха оказывается в предкамере 14, упор-поршень 10 начинает приподниматься вверх, пропуская под собой выступ 5, при этом оставшийся в рабочем объеме 7 воздух будет сильно разреженным (фиг.7).When approaching the protrusion 5 of the rotor 4 to the stop-piston 10, the spool 22 closes. Most of the compressed air is in the pre-chamber 14, the stop piston 10 begins to rise up, letting the protrusion 5 pass under it, while the air remaining in the working volume 7 will be very rarefied (Fig. 7).

Во время прохода выступа 5 ротора 4 за упор-поршень 10 в предкамеру 14 через свечу зажигания 15 подается электрический разряд, поджигающий рабочую смесь. Золотник 23 открывается, при этом воспламененная смесь удерживается от попадания в камеру сгорания 19 только боковой поверхностью выступа 5 (фиг.8).During the passage of the protrusion 5 of the rotor 4 for the stop piston 10 in the chamber 14 through the spark plug 15, an electric discharge is supplied that ignites the working mixture. The spool 23 opens, while the ignited mixture is kept from entering the combustion chamber 19 only by the side surface of the protrusion 5 (Fig. 8).

При повороте ротора 4 еще на несколько градусов, когда боковая поверхность выступа 5 ротора 4 перестает блокировать предкамеру 14, воспламененная топливовоздушная смесь начинает поступать в камеру сгорания 19. В этот момент упор-поршень 10 уже должен быть опущен (фиг.9).When the rotor 4 is rotated a few more degrees, when the lateral surface of the protrusion 5 of the rotor 4 stops blocking the pre-chamber 14, the ignited air-fuel mixture begins to enter the combustion chamber 19. At this point, the stop piston 10 should already be lowered (Fig. 9).

Начинается процесс расширения под действием возрастающего давления сгорания на выступ 5 ротора 4. Ротор 4 поворачивается, совершая рабочий ход (фиг.10).The expansion process begins under the action of increasing combustion pressure on the protrusion 5 of the rotor 4. The rotor 4 is rotated, making a stroke (figure 10).

При подходе выступа 5 ротора 4 к упору-поршню 10 последний приподнимается вверх, пропуская выступ 5, при этом золотники 24 и 25 открываются (фиг.11).When approaching the protrusion 5 of the rotor 4 to the thrust-piston 10, the latter rises, skipping the protrusion 5, while the spools 24 and 25 open (Fig. 11).

Сразу же после прохода выступа 5 упор-поршень 10 опускается и начинается новый цикл работы двигателя: через золотник 24 отводятся отработавшие газы, одновременно с этим через золотник 25 поступает воздух. Оставшееся от предыдущего цикла в предкамере 14 небольшое количество отработавших газов через открытый золотник 23 смешивается с поступающим в рабочий объем 7 через открытый золотник 25 воздухом (фиг.3).Immediately after the passage of the protrusion 5, the stop-piston 10 is lowered and a new engine operation cycle begins: the exhaust gases are discharged through the spool 24, and at the same time, air enters through the spool 25. The small amount of exhaust gas remaining from the previous cycle in the pre-chamber 14 through the open valve 23 is mixed with the air entering the working volume 7 through the open valve 25 (Fig. 3).

Таким образом, полный рабочий цикл роторно-поршневого двигателя осуществляется за три оборота ротора 4, при этом процессы впуска воздуха и выпуска отработавших газов протекают одновременно в переменных рабочих объемах 7 двигателя.Thus, the full working cycle of a rotary piston engine is carried out in three rotations of the rotor 4, while the processes of air intake and exhaust exhaust flow simultaneously in the variable displacement of the engine 7.

Двигатель может работать также по дизельному циклу при установке соответствующей топливной аппаратуры.The engine can also work on a diesel cycle when installing the appropriate fuel equipment.

Заявляемое техническое решение позволяет упростить конструкцию роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечить достаточную мощность двигателя на высоких частотах вращения, а также увеличить надежность и долговечность двигателя.The claimed technical solution allows to simplify the design of a rotary piston internal combustion engine, to provide sufficient engine power at high speeds, as well as to increase the reliability and durability of the engine.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании.The claimed technical solution meets the requirement of industrial applicability and is possible for implementation on standard processing equipment.

Claims

A rotary piston internal combustion engine comprising a housing with an end cap located in the rotor housing with a cylindrical protrusion, a combustion chamber representing a part of the engine’s displacement, air supply and exhaust ducts, a spring-loaded stop piston installed in a groove made in the housing, a cam mechanism for driving the stop-piston, characterized in that a pre-chamber is made in the housing wall, connected to the engine displacement and the combustion chamber using the provided control the spools of the inlet and outlet channels located on opposite sides of the stop piston made with a through hole, the cam mechanism being installed in said hole and made in the form of a cam shaft parallel to the rotor and connected to it by a kinematic connection, in addition, a fuel nozzle and a spark plug are installed in the pre-chamber, and plates are installed on the working surfaces of the cylindrical protrusion of the rotor and the stop-piston.