RU2524795C2

RU2524795C2 - Rotary internal combustion engine

Info

Publication number: RU2524795C2
Application number: RU2010115065/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Мясников
Original assignee: Виктор Васильевич Мясников
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2014-08-10
Also published as: RU2010115065A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to propulsion engineering. Proposed engine comprises stator. Cylindrical rotor is mounted with eccentricity with respect to stator cylindrical surface. Vanes are fitted in the rotor radial cut-outs. Vane outer ends have swivel seals in contact with inner cylindrical surface of the case free running about the stator axle. Inlet and discharge radial channels are made in the rotor. Inlet channels communicate the chambers composed by inner surface of free running case, cylindrical rotor outer surface and vanes with cylindrical fuel-air chamber. Hollow shaft is rigidly coupled with the rotor. Discharge radial channels communicate the chambers with cylindrical discharge chamber. Fuel-air and discharge chambers are arranged inside said hollow shaft. Valves are fitted in said radial channels. Position of the valves is defined by cams. The latter are fitted at output shaft. Hollow shaft has through bores communicating fuel-air chamber with inlet channel and discharge chamber with discharge channel. One or several spark plugs are arranged in chambers on the rotor cylindrical surface.

EFFECT: simplified design, higher efficiency.

3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, не содержащим кривошипно-шатунного механизма.The invention relates to engine building, in particular to rotary internal combustion engines that do not contain a crank mechanism.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания с трехгранным ротором и статором с внутренней полостью, имеющей эпитрохоидный профиль, и называемый двигателем Ванкеля (Бениович А.С., Апазиди Г.Д., Бойко A.M. Роторно-поршневые двигатели. М.: Машиностроение, 1968, рис.3, стр.12). Недостатками известного двигателя являются сложность, обусловленная требованиями высокой точности изготовления основных частей двигателя, и тяжелые условия работы уплотнений, определяющие невысокий ресурс двигателя. Внутренняя поверхность статора двигателя Ванкеля имеет переменную кривизну, поэтому контакт уплотнений полостей между ротором и статором происходит по одной линии. Эта линия контакта перемещается по внутренней поверхности статора с самой высокой линейной скоростью элементов роторного двигателя, что приводит к повышенному трению и быстрому износу уплотнений.Known rotary internal combustion engine with a trihedral rotor and a stator with an internal cavity having an epitrochoid profile, and called the Wankel engine (Beniovich AS, Apazidi GD, Boyko AM Rotary piston engines. M .: Mechanical Engineering, 1968, rice .3, p. 12). The disadvantages of the known engine are the complexity due to the requirements of high precision manufacturing of the main parts of the engine, and the difficult operating conditions of the seals, which determine the low resource of the engine. The inner surface of the stator of the Wankel motor has a variable curvature, therefore, the contact of the cavity seals between the rotor and the stator occurs in one line. This contact line moves along the inner surface of the stator with the highest linear speed of the elements of the rotary motor, which leads to increased friction and rapid wear of the seals.

Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель (Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, патент №2358125, оп 10.06.2009, МПК: F01C F02B), содержащий статор с внутренней эллиптической поверхностью и каналами циркуляции охлаждающей жидкости, цилиндрический ротор, установленный с эксцентриситетом по отношению к внутренней цилиндрической поверхности статора, с радиальными прорезями, в которых размещены скользящие лопасти. Недостатком известного двигателя является сложность, обусловленная эллиптическим профилем внутренней полости статора, имеющим переменную кривизну, что обуславливает контакт скользящей лопасти по внутренней поверхности статора по одной линии. Кроме того, что в линейном контакте трудно обеспечить газовое уплотнение, силы трения, приложенные к линии контакта, вызывают повышенный износ лопасти и внутренней поверхности статора. При линейной скорости лопасти по внутренней поверхности статора, превышающей 15 метров в секунду, лопасти сгорают во входящем потоке топливовоздушной смеси. Повышенный износ основного уплотнения камер сгорания снижает ресурс роторного двигателя до величин, исключающих его практическое применение.The closest in technical essence is a rotary engine (патент, 10.06.2009, IPC: F01C F02B) containing a stator with an internal elliptical surface and coolant circulation channels, a cylindrical rotor mounted with an eccentricity relative to the inner cylindrical surface of the stator, with radial slots in which the sliding blades are placed. A disadvantage of the known engine is the complexity due to the elliptical profile of the inner cavity of the stator, having a variable curvature, which causes the contact of the sliding blade along the inner surface of the stator in one line. In addition to the fact that in a linear contact it is difficult to provide a gas seal, the friction forces applied to the contact line cause increased wear of the blade and the inner surface of the stator. When the linear speed of the blades on the inner surface of the stator, exceeding 15 meters per second, the blades burn in the incoming stream of the air-fuel mixture. Increased wear of the main seal of the combustion chambers reduces the life of the rotary engine to values that exclude its practical application.

Техническим решением, достигаемым в предлагаемом изобретении, является упрощение конструкции, увеличение ресурса роторного двигателя внутреннего сгорания за счет уменьшения сил трения между вращающимися лопастями и стенкой камеры сгорания и повышение эффективности за счет более надежного уплотнения камер сгорания.The technical solution achieved in the present invention is to simplify the design, increase the life of the rotary internal combustion engine by reducing the friction forces between the rotating blades and the wall of the combustion chamber and increasing efficiency due to more reliable sealing of the combustion chambers.

Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем статор с внутренней цилиндрической поверхностью и каналами циркуляции охлаждающей жидкости, цилиндрический ротор, установленный с эксцентриситетом по отношению к внутренней цилиндрической поверхности статора, с радиальными прорезями, в которых размещены скользящие лопасти, на внешних концах лопастей выполнены шарнирные уплотнения, контактирующие с внутренней цилиндрической поверхностью, свободно вращающейся вокруг оси статора обоймы, в роторе выполнены впускные радиальные каналы, соединяющие камеры, образованные внутренней поверхностью свободно вращающейся обоймы, внешней поверхностью цилиндрического ротора и лопастями, с цилиндрической топливовоздушной полостью, расположенной внутри полого вала, жестко связанного с цилиндрическим ротором, и выпускные радиальные каналы, соединяющие камеры с цилиндрической выпускной полостью, расположенной внутри полого вала, в радиальных впускных и выпускных каналах расположены впускные и выпускные клапаны, положение которых определяется впускными и выпускными кулачками, закрепленными на выходном валу, на полом валу установлена шестерня, которая через промежуточные шестерни, оси которых неподвижно закреплены на статоре, передает вращение выходной шестерне, жестко связанной с выходным валом, в полом валу выполнены сквозные отверстия, соединяющие цилиндрическую топливовоздушную полость с входным каналом, также в полом валу выполнены сквозные отверстия, соединяющие цилиндрическую выпускную полость с выходным каналом, в камерах на цилиндрической поверхности ротора расположены одна или несколько свечей зажигания, соединенных изолированным проводником с сектором регулирования момента зажигания, импульс напряжения на который подается через изолированный от статора канал, на площадке контакта шарнирного уплотнения с обоймой размещены линейные уплотняющие элементы.This goal is achieved by the fact that in a rotary internal combustion engine containing a stator with an inner cylindrical surface and coolant circulation channels, a cylindrical rotor mounted with eccentricity with respect to the inner cylindrical surface of the stator, with radial slots in which the sliding blades are located, on the external the ends of the blades are made of hinge seals in contact with the inner cylindrical surface freely rotating around the axis of the stator of the cage, in The torus has radial inlet channels connecting the chambers formed by the inner surface of the freely rotating cage, the outer surface of the cylindrical rotor and the blades, with a cylindrical air-fuel cavity located inside the hollow shaft rigidly connected to the cylindrical rotor, and radial exhaust channels connecting the chambers with a cylindrical exhaust cavity located inside the hollow shaft, inlet and outlet valves are located in the radial inlet and outlet channels, the position of which is determined divided by inlet and outlet cams mounted on the output shaft, a gear is installed on the hollow shaft, which through the intermediate gears, the axes of which are fixedly mounted on the stator, transmits the rotation of the output gear rigidly connected to the output shaft, through holes are made in the hollow shaft connecting the cylindrical fuel-air a cavity with an inlet channel, also through holes are made in the hollow shaft connecting the cylindrical outlet cavity to the outlet channel, in the chambers on the cylindrical surface of the mouth one or more spark plugs are located, connected by an insulated conductor to the ignition timing control sector, a voltage pulse to which is supplied through a channel isolated from the stator, linear sealing elements are placed on the contact area of the articulated seal with the holder.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез двигателя, на фиг.2 изображен продольный разрез двигателя, а на фиг.3 изображена схема, поясняющая уменьшение трения при введении свободно вращающейся обоймы.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a cross section of an engine, Fig. 2 shows a longitudinal section of an engine, and Fig. 3 is a diagram explaining a decrease in friction when a freely rotating cage is inserted.

Двигатель содержит статор 1 с внутренней цилиндрической поверхностью и каналами 2 циркуляции охлаждающей жидкости, цилиндрический ротор 3, установленный с эксцентриситетом по отношению к внутренней цилиндрической поверхности статора 1, с радиальными прорезями, в которых размещены скользящие лопасти 4, на внешних концах которых размещены шарнирные уплотнения 5, контактирующие со свободно вращающейся вокруг оси внутренней цилиндрической поверхности статора 1 обоймой 6. В роторе 3 выполнены впускные радиальные каналы 7, соединяющие камеры 8, образованные внутренней поверхностью свободно вращающейся обоймы 6, внешней поверхностью цилиндрического ротора 3 и лопастями 4, с цилиндрической топливовоздушной полостью 9, расположенной внутри полого вала 10, жестко связанного с цилиндрическим ротором 3, и выпускные радиальные каналы 11, соединяющие камеры 8 с цилиндрической выпускной полостью 12, расположенной внутри полого вала 10. В радиальных впускных и выпускных каналах 7 и 11 расположены впускные клапаны 13 и выпускные клапаны 14, положение которых определяется впускными кулачками 15 и выпускными кулачками 16, закрепленными на выходном валу 17. На полом валу 10 установлена шестерня 18, которая через промежуточные шестерни 19, оси которых неподвижно закреплены на статоре 1, передает вращение выходной шестерне 20, жестко связанной с выходным валом 17. Параметры шестеренчатой передачи подобраны таким образом, чтобы выходной вал 17 вращался в два раза медленнее полого вала 10. В полом валу 10 выполнены сквозные отверстия 21, соединяющие цилиндрическую топливовоздушную полость 9 с входным каналом 22, также в полом валу 10 выполнены сквозные отверстия 23, соединяющие цилиндрическую выпускную полость 12 с выходным каналом 24. В камерах 8 на цилиндрической поверхности ротора 3 расположены одна или несколько свечей зажигания 25, соединенных изолированным проводником с сектором 26 регулирования момента зажигания, импульс напряжения на который подается через изолированный от статора канал 27. В статоре 1 выполнены каналы 28 для подачи масла, также в роторе 3 выполнены каналы 29 для подачи масла к лопастям 4. На площадке контакта шарнирного уплотнения 5 с обоймой 6 размещены линейные уплотняющие элементы 30 с подводом смазки по каналам 31 внутри лопастей 4 и маслоудалением.The engine comprises a stator 1 with an inner cylindrical surface and coolant circulation channels 2, a cylindrical rotor 3 mounted with an eccentricity with respect to the inner cylindrical surface of the stator 1, with radial slots in which the sliding blades 4 are located, on the outer ends of which there are hinged seals 5 in contact with the clip 6, which rotates freely around the axis of the inner cylindrical surface of the stator 1. In the rotor 3 there are made radial inlets 7 connecting the chambers 8, formed by the inner surface of the freely rotating cage 6, the outer surface of the cylindrical rotor 3 and the blades 4, with a cylindrical air-fuel cavity 9 located inside the hollow shaft 10, rigidly connected with the cylindrical rotor 3, and the outlet radial channels 11 connecting the chambers 8 with the cylindrical exhaust cavity 12 located inside the hollow shaft 10. In the radial inlet and outlet channels 7 and 11 are inlet valves 13 and exhaust valves 14, the position of which is determined by the inlet cams 15 and exhaust cams 16 mounted on the output shaft 17. A gear 18 is mounted on the hollow shaft 10, which, through the intermediate gears 19, the axes of which are fixedly mounted on the stator 1, transmits the rotation of the output gear 20, rigidly connected to the output shaft 17. The gear parameters are selected so so that the output shaft 17 rotates two times slower than the hollow shaft 10. Through holes 10 are made in the hollow shaft 10, connecting the cylindrical air-fuel cavity 9 with the input channel 22, also through holes in the hollow shaft 10 holes 23 connecting the cylindrical exhaust cavity 12 to the output channel 24. In the chambers 8 on the cylindrical surface of the rotor 3 are one or more spark plugs 25 connected by an insulated conductor to the ignition timing control sector 26, a voltage pulse to which is supplied through a channel 27 isolated from the stator . In the stator 1, channels 28 for supplying oil are made, also in the rotor 3 there are channels 29 for supplying oil to the blades 4. On the contact area of the hinged seal 5 with the holder 6, linear seals the elements 30 with the supply of lubricant through the channels 31 inside the blades 4 and oil removal.

Двигатель работает следующим образом. При вращении ротора 3 камеры 8, образованные внутренней поверхностью свободно вращающейся обоймы 6 и внешней поверхностью цилиндрического ротора 3, изменяют свой объем от минимального, когда камера 8 находится в направлении смещения ротора, до максимального, когда ротор повернется на 180°. Для осуществления четырех традиционных тактов двигателя внутреннего сгорания (всасывание-сжатие-воспламенение-выхлоп) необходимо произвести два оборота ротора 3. На угле поворота ротора, при котором начинается увеличение объема камеры 8, впускной кулачок 15 сдвигает клапан 12, открывая впускной радиальный канал 7 и осуществляя всасывание топливовоздушной смеси через входной канал 22, сквозные отверстия 21 в полом валу 10 и цилиндрическую топливовоздушную полость 9. Через половину оборота ротора 3 впускной кулачок 15 возвращает подпружиненный клапан 12 в закрытое состояние и в последующей половине оборота ротора 3 осуществляется сжатие топливовоздушной смеси. В начале второго оборота ротора 3 через изолированный канал 27, сектор 26 регулирования момента зажигания и изолированный от ротора 3 проводник к свече зажигания 25 подводится высоковольтный импульс, вызывающий воспламенение топливовоздушной смеси в расширяющейся камере 8. В последующую половину оборота ротора 3 осуществляется рабочий ход, после чего выпускной кулачок 16 на выпускной стороне двигателя смещает выпускной клапан 14, открывая выпускной радиальный канал 11, соединяющий камеру 8 с цилиндрической выпускной полостью 12 и выходным каналом 24, через который производится выброс отработанных газов. Для управления впускными и выпускными клапанами с помощью впускных и выпускных кулачков 15 и 16 вращение полого ротора 10 через шестеренчатую передачу, образованную шестернями 18, 19, 20, передается на выходной вал 17 с замедлением, равным числу камер 8 в роторном двигателе, деленному на два. Для четырехкамерного роторного двигателя замедление равно двум. Следовательно, впускные кулачки 15 и выпускные кулачки 16, жестко связанные с выходным валом 17, изменяют положение клапанов одной камеры один раз за два оборота ротора 10, что и необходимо для осуществления четырех тактов двигателя внутреннего сгорания. Описанные процессы со сдвигом на четверть оборота выходного вала 17 происходят во всех остальных камерах 8 роторного двигателя, повторяясь циклически. Таким образом, на один оборот выходного вала 17 приходится четыре рабочих такта, что обеспечивает равномерный крутящий момент.The engine operates as follows. When the rotor 3 is rotated, the chambers 8, formed by the inner surface of the freely rotating cage 6 and the outer surface of the cylindrical rotor 3, change their volume from the minimum when the camera 8 is in the direction of displacement of the rotor to the maximum when the rotor rotates 180 °. To carry out four traditional strokes of the internal combustion engine (suction-compression-ignition-exhaust), it is necessary to make two turns of the rotor 3. At the angle of rotation of the rotor, at which the increase in the volume of the chamber 8 begins, the inlet cam 15 moves the valve 12, opening the inlet radial channel 7 and by sucking the air-fuel mixture through the input channel 22, the through holes 21 in the hollow shaft 10 and the cylindrical air-fuel cavity 9. After half a revolution of the rotor 3, the inlet cam 15 returns the spring-loaded valve 12 in the closed state and in the subsequent half-turn of the rotor 3, the air-fuel mixture is compressed. At the beginning of the second revolution of the rotor 3, through the insulated channel 27, the ignition timing control sector 26 and the conductor isolated from the rotor 3, a high-voltage pulse is supplied to the spark plug 25, causing the air-fuel mixture to ignite in the expanding chamber 8. In the next half-turn of the rotor 3, a stroke is carried out, after whereby the exhaust cam 16 on the exhaust side of the engine biases the exhaust valve 14, opening the exhaust radial channel 11 connecting the chamber 8 with the cylindrical exhaust cavity 12 and the output channel scrap 24, through which exhaust gases are emitted. To control the inlet and outlet valves using the inlet and outlet cams 15 and 16, the rotation of the hollow rotor 10 through the gear transmission formed by gears 18, 19, 20 is transmitted to the output shaft 17 with a deceleration equal to the number of chambers 8 in the rotary engine divided by two . For a four-chamber rotary engine, the deceleration is two. Therefore, the inlet cams 15 and exhaust cams 16, rigidly connected with the output shaft 17, change the position of the valves of one chamber once every two turns of the rotor 10, which is necessary for four cycles of the internal combustion engine. The described processes with a quarter-turn shift of the output shaft 17 occur in all other chambers 8 of the rotary engine, repeating cyclically. Thus, one revolution of the output shaft 17 accounts for four working cycles, which ensures uniform torque.

Для роторных двигателей внутреннего сгорания существует две взаимосвязанные проблемы. Это уплотнение в зоне контакта ротора и статора и трение в этой зоне. Увеличение силы прижатия уплотнения ведет к уменьшению перетечек газов в полостях ротора, но в то же время приводит к возрастанию силы трения и износу уплотняющих элементов. В предлагаемой конструкции это противоречие разрешается введением свободно вращающейся обоймы 6, а также введением шарнирных уплотнений 5. Уменьшение силы трения является следствием уменьшения относительной скорости движения шарнирного уплотнения 5 по поверхности свободно вращающейся обоймы 6 по сравнению с ситуацией, когда шарнирное уплотнение 5 двигалось бы по неподвижной внутренней цилиндрической поверхности статора 3. При полностью вдвинутой в ротор 3 лопасти 4 с шарнирным уплотнением 5 линейная скорость уплотнения 5 определяется как произведение угловой скорости ротора ω на величину радиуса r, а при полностью выдвинутой лопасти с шарнирным уплотнением 5 его линейная скорость определяется как произведение ω·R (Фиг.3). Поскольку шарнирные уплотнения 5 контактируют со свободно вращающейся обоймой 6, она имеет возможность перемещаться относительно шарнирных уплотнений с разностной скоростью ω·(R-r) или ω·ε, где ε - эксцентриситет ротора. Очевидно, что разностная скорость меньше максимальной и минимальной почти на порядок, а поскольку сила трения пропорциональна квадрату скорости, то в результате сила трения уменьшается на два порядка.For rotary internal combustion engines, there are two interrelated problems. This is a seal in the contact zone of the rotor and stator and friction in this zone. An increase in the pressing force of the seal leads to a decrease in the flow of gases in the cavities of the rotor, but at the same time leads to an increase in the friction force and the wear of the sealing elements. In the proposed design, this contradiction is resolved by introducing a freely rotating sleeve 6, as well as introducing hinge seals 5. A decrease in the friction force is a consequence of a decrease in the relative speed of the hinge seal 5 over the surface of the freely rotating sleeve 6 compared to the situation when the hinge seal 5 would move along a stationary the inner cylindrical surface of the stator 3. When the blades 4 with the hinged seal 5 are fully retracted into the rotor 3, the linear speed of the seal 5 is determined by to the product of the angular velocity ω of the rotor by the value of radius r, and when fully extended blade with hinged seal 5 of its linear velocity is defined as the product ω · R (3). Since the hinge seals 5 are in contact with the freely rotating cage 6, it has the ability to move relative to the hinge seals with a difference speed ω · (R-r) or ω · ε, where ε is the eccentricity of the rotor. It is obvious that the difference velocity is less than the maximum and minimum by almost an order of magnitude, and since the friction force is proportional to the square of the velocity, as a result, the friction force decreases by two orders of magnitude.

Шарнирные уплотнения 5 имеют возможность поворачиваться в пазах лопастей 4, что позволяет сделать поверхность контакта уплотнения с кривизной, равной кривизне внутренней цилиндрической поверхности свободно вращающейся обоймы 6. В результате область уплотнения имеет вид площадки, а не линии, как в известном двигателе Ванкеля. На площадке контакта установлено несколько линейных уплотняющих элементов 30 с подводом смазки и ее удалением. Предлагаемое техническое решение уплотняющих элементов можно осуществить только в предлагаемой конструкции двигателя, имеющего цилиндрическую поверхность скольжения уплотнений.The hinge seals 5 have the ability to rotate in the grooves of the blades 4, which makes it possible to make the contact surface of the seal with a curvature equal to the curvature of the inner cylindrical surface of the freely rotating yoke 6. As a result, the seal area has the form of a platform, rather than a line, as in the well-known Wankel engine. At the contact area, several linear sealing elements 30 with the supply of grease and its removal are installed. The proposed technical solution of the sealing elements can be implemented only in the proposed design of the engine having a cylindrical sliding surface of the seals.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении роторного двигателя внутреннего сгорания за счет размещения газораспределительного механизма внутри ротора и полого вала достигается упрощение конструкции, введение свободно вращающейся обоймы позволяет снизить трение в уплотнениях, а введение шарнирных уплотнений с уплотняющими элементами позволяет повысить их эффективность. Уменьшение трения и повышение эффективности уплотнений ведут к повышению ресурса двигателя.Thus, in the proposed technical solution of a rotary internal combustion engine due to the arrangement of a gas distribution mechanism inside the rotor and the hollow shaft, design simplification is achieved, the introduction of a freely rotating cage reduces friction in the seals, and the introduction of hinged seals with sealing elements improves their efficiency. Reducing friction and increasing the efficiency of seals lead to an increase in engine life.

Claims

A rotary internal combustion engine comprising a stator with an inner cylindrical surface and coolant circulation channels, a cylindrical rotor mounted with an eccentricity with respect to the inner cylindrical surface of the stator, with radial slots in which sliding blades are placed, characterized in that the outer ends of the blades are made hinged seals in contact with the inner cylindrical surface of the cage freely rotating around the stator axis, are made in the rotor radial channels connecting the chambers formed by the inner surface of the freely rotating cage, the outer surface of the cylindrical rotor and the blades, with a cylindrical air-fuel cavity located inside a hollow shaft rigidly connected to the cylindrical rotor, and radial exhaust channels connecting the chambers with a cylindrical exhaust cavity located Inside the hollow shaft, inlet and outlet valves are located in the radial inlet and outlet channels, the position of which is determined by the inlet and exhaust cams mounted on the output shaft, a gear is installed on the hollow shaft, which through the intermediate gears, the axes of which are fixedly mounted on the stator, transmits the rotation of the output gear rigidly connected to the output shaft, through holes are made in the hollow shaft connecting the cylindrical air-fuel cavity with the inlet channel, also through holes are made in the hollow shaft connecting the cylindrical outlet cavity to the outlet channel, in the chambers on the cylindrical surface of the rotor there are one on or several spark plugs connected by an insulated conductor to the sector of regulation of the moment of ignition, the voltage pulse to which is supplied through a channel isolated from the stator.