RU2307944C1 - Rotary internal combustion diesel engine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: proposed rotary internal combustion diesel engine contains fixed body with two diametrically symmetrical profiled working spaces, output shaft rigidly coupled with cylindrical rotor provided with two profiled slots in which swinging pistons are secured on axles parallel to axis of rotation of rotor, two end face covers in one of which two ports are made mating with beginning of each working space for sucking air charge and two ports mating with end of each working space to discharge exhaust gases. Two combustion chambers, each made in form of two mating cylindrical spaces, are arranged in engine body parallel to axis of rotation of rotor so that each intake port of rectangular form is mated with end of one working space, and each exhaust port is mated with beginning of other working space. Each intake port from side of combustion chamber is closed by valve in form of curved plate which conjugates by cylindrical surface without clearance with cylindrical surface of combustion chamber around port, and gets with clearance by projecting part into port space by turning on axle parallel to axis of cylindrical space of combustion chamber displaced and to its wall. Each exhaust port is closed by valve made in form of two diametrically symmetrical segments of cylinder furnished with sealing elements whose design provides gapless conjugation with surface of combustion chamber by turning on axle of rotation aligned with axis of cylindrical part of combustion chambers in which valve is arranged.

EFFECT: increased efficiency and power, and improved reliability and ecological cleanness of engine.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания роторного типа.The invention relates to engine building, in particular to rotary type internal combustion engines.

Известен роторный двигатель, содержащий корпус с профилированной рабочей поверхностью, торцевые крышки, выходной вал, цилиндрический ротор с пазами, в которых на осях установлены поршни, контактирующие с поверхностью корпуса и образующие надпоршневые и подпоршневые объемы, причем камеры сгорания находятся внутри поршней и снабжены перепускным клапаном с обратным клапаном, систему газообмена с окнами в торцевой крышке и свечами зажигания с возможностью сообщения окон с подпоршневыми объемами, а свечей - с камерами сгорания (а.с. СССР №1017803, опубл. 15.05.1983 г.).Known rotary engine containing a housing with a profiled working surface, end caps, output shaft, cylindrical rotor with grooves in which the axes are mounted pistons in contact with the surface of the housing and forming nadporshnev and podporshnevye volumes, and the combustion chambers are inside the pistons and equipped with an overflow valve with a non-return valve, gas exchange system with windows in the end cap and spark plugs with the possibility of communicating windows with sub-piston volumes, and candles with combustion chambers (AS USSR No. 101 7803, publ. 05/15/1983).

Недостатками этого двигателя являются невысокий кпд, сложность конструкции, ненадежность в работе. Причинами являются небольшая степень сжатия заряда, низкая технологичность конструкции из-за наличия внутренних полостей и расположения в них сборных элементов, наличия пружин в зоне с высокой температурой.The disadvantages of this engine are low efficiency, design complexity, unreliability in operation. The reasons are a small degree of charge compression, low manufacturability of the structure due to the presence of internal cavities and the location of prefabricated elements in them, the presence of springs in a zone with a high temperature.

Известен роторный двигатель, содержащий корпус с профилированной рабочей поверхностью, цилиндрический ротор, установленный на валу и снабженный качающимися поршнями, в которых расположены камеры сгорания с подпружиненными обратными клапанами. Торцевые крышки имеют впускные отверстия с диффузорами, через которые воздух попадает в подпоршневое пространство, и выпускные отверстия для отработанных газов (патент РФ №2068106, опубл. 20.10.1996 г. - прототип).Known rotary engine containing a housing with a profiled working surface, a cylindrical rotor mounted on a shaft and equipped with oscillating pistons, in which there are combustion chambers with spring-loaded check valves. The end caps have inlets with diffusers through which air enters the sub-piston space, and exhaust openings for exhaust gases (RF patent No. 2068106, publ. 10/20/1996 - prototype).

Двигатель работает таким образом, что при вращении ротора всасывание заряда происходит в подпоршневое пространство при выходе поршня из паза ротора, сжатие и перепуск заряда в камеру сгорания - при входе поршня в паз ротора, затем его воспламенение, после чего при выходе поршня из паза ротора происходит рабочий ход.The engine operates in such a way that when the rotor rotates, the charge is sucked into the sub-piston space when the piston leaves the rotor groove, the charge is compressed and transferred to the combustion chamber when the piston enters the rotor groove, then it ignites, and then when the piston leaves the rotor groove working stroke.

Недостатками этого двигателя являются отсутствие клапана, закрывающего впускное отверстие, что приведет к выталкиванию заряда обратно вместо его сжатия, отсутствие внешнего воспламенения, без которого двигатель не будет работать, так как получаемая в нем степень сжатия заряда недостаточна для его самовоспламенения, сложность конструкции и ее нетехнологичность из-за наличия в роторе и поршнях внутренних полостей и расположенных в них деталей, а также наличия пружины в камере сгорания.The disadvantages of this engine are the lack of a valve that closes the inlet, which will lead to pushing the charge back instead of compressing it, the absence of external ignition, without which the engine will not work, since the degree of compression of the charge obtained in it is insufficient for self-ignition, the complexity of the design and its low technology due to the presence of internal cavities and parts located in the rotor and pistons, as well as the presence of a spring in the combustion chamber.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение кпд и снижение уровня токсических веществ в выхлопных газах, повышение надежности работы и улучшение технологичности конструкции, увеличение моторесурса.The technical result of this invention is to increase the efficiency and reduce the level of toxic substances in exhaust gases, increase the reliability and improve the manufacturability of the design, increase the engine life.

Этот результат достигается тем, что в роторном дизельном двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с двумя диаметрально симметричными профилированными рабочими полостями, выходной вал, жестко связанный с цилиндрическим ротором, имеющим два профильных паза, в которых на осях, параллельных оси вращения ротора, закреплены поршни, совершающие качающие движения, две торцевые крышки, в одной из которых выполнены два окна, сопряженных с началом каждой рабочей полости для всасывания заряда воздуха, и два окна, сопряженных с концом каждой рабочей полости для выхлопа отработанных газов, две камеры сгорания, каждая из которых имеет вид двух сопряженных цилиндрических полостей, расположены в корпусе двигателя параллельно оси вращения ротора так, что каждое из их впускных окон прямоугольной формы сопряжено с концом одной рабочей полости, а каждое из их выпускных окон сопряжено с началом другой рабочей полости, причем каждое впускное окно со стороны камеры сгорания закрывается клапаном, имеющим форму изогнутой пластины, которая своей цилиндрической поверхностью сопрягается без зазора с цилиндрической поверхностью камеры сгорания вокруг окна, а своей выступающей частью входит с зазором в полость окна путем поворота на оси, параллельной оси цилиндрической полости камеры сгорания и смещенной к ее стенке, а каждое выпускное окно перекрывается клапаном, имеющим вид двух диаметрально симметричных сегментов цилиндра, снабженных уплотнительными элементами, конструкция которых обеспечивает сопряжение без зазора с поверхностью камеры сгорания путем поворота на оси вращения, совмещенной с осью цилиндрической части камеры сгорания, в которой он расположен.This result is achieved in that in a rotary diesel internal combustion engine containing a stationary body with two diametrically symmetrical shaped working cavities, an output shaft rigidly connected to a cylindrical rotor having two profile grooves in which pistons are fixed on axes parallel to the axis of rotation of the rotor performing swinging movements, two end caps, in one of which two windows are made, paired with the beginning of each working cavity for suctioning an air charge, and two windows, paired with the end of each working cavity for exhaust gas exhaust, two combustion chambers, each of which has the form of two conjugate cylindrical cavities, are located in the engine casing parallel to the axis of rotation of the rotor so that each of their rectangular inlet windows is associated with the end of one working cavity, and each from their exhaust windows is associated with the beginning of another working cavity, and each inlet window from the side of the combustion chamber is closed by a valve having the shape of a curved plate, which has its cylindrical surface juxtaposes without a gap with the cylindrical surface of the combustion chamber around the window, and its protruding part enters with a gap in the cavity of the window by turning on an axis parallel to the axis of the cylindrical cavity of the combustion chamber and offset to its wall, and each exhaust window is closed by a valve having the form of two diametrically symmetrical cylinder segments equipped with sealing elements, the design of which provides interface without a gap with the surface of the combustion chamber by rotation on the axis of rotation combined with the axis of the cylinder part-cylindrical combustion chamber in which it is located.

Может иметься механизм изменения степени сжатия, состоящий из болвана, вводимого в камеру сгорания, и привода для его введения.There may be a mechanism for changing the degree of compression, consisting of a block being introduced into the combustion chamber and a drive for introducing it.

Конструкцией двигателя обеспечивается высокая геометрическая степень сжатия заряда воздуха и возможность ее изменения во время работы путем уменьшения объема камеры сгорания введением в нее конструктивного элемента - "болвана" с помощью специального привода. Геометрическая форма болвана может быть любой, а направление введения либо вдоль оси клапана со стороны крышки, либо перпендикулярно оси в подклапанное пространство через корпус двигателя. Расчетная геометрическая степень сжатия заряда воздуха (без учета повышения давления турбиной наддува) составляет 15,7, а при полностью введенном в камеру сгорания болване - 23 и может быть изменена на стадии проектирования. При введенном болване двигатель гарантированно запускается и в дальнейшем надежно работает в различных вариантах (с турбиной или без турбины, с болваном или без него) в зависимости от необходимой мощности или в случае поломки. Расчет показал, что крутящий момент двигателя на 40% превышает крутящий момент кривошипно-шатунного двигателя применительно к одному поршню при равных условиях (одинаковый объем рабочей камеры, одна степень сжатия, один тип горючего) за один рабочий ход. Остаточное давление выхлопных газов используется для вращения турбины наддува, сидящей на валу в подшипниках и не использующей его энергию. Сгорание топлива происходит наиболее полно, так как осуществляется в камере постоянного объема, при этом обеспечивается необходимое время для его полного сгорания и необходимый коэффициент избытка воздуха. Потери тепла в камере сгорания и связанное с ними снижение давления будут меньшими, чем в даже наиболее распространенных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, так как соотношение объема камеры и ее площади поверхности является лучшим. Выходной вал с ротором не испытывают радиальных нагрузок от давления газов, так как синхронная работа двух поршней их взаимно нейтрализует. Это позволяет применить подшипники качения, что снижает силу трения в посадочных узлах. Для снижения трения смазка подведена непосредственно в зону контакта поршней с корпусом и ротора с корпусом, одновременно осуществляя их охлаждение. Важное отличие двигателя от аналогов состоит в том, что он работает в дизельном режиме с внутренним смесеобразованием при впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания.The engine design provides a high geometric degree of compression of the air charge and the possibility of its change during operation by reducing the volume of the combustion chamber by introducing a structural element into it - a "blockhead" using a special drive. The geometrical shape of the blockhead can be any, and the direction of introduction is either along the axis of the valve from the side of the cover, or perpendicular to the axis into the subvalve space through the engine body. The calculated geometric degree of compression of the air charge (without taking into account the pressure increase of the boost turbine) is 15.7, and with the block completely inserted into the combustion chamber - 23 and can be changed at the design stage. When a blockhead is introduced, the engine is guaranteed to start and subsequently works reliably in various versions (with or without a turbine, with or without a blockhead), depending on the required power or in case of breakdown. The calculation showed that the engine torque is 40% higher than the torque of the crank engine for one piston under equal conditions (the same volume of the working chamber, one compression ratio, one type of fuel) for one working stroke. The residual exhaust pressure is used to rotate a boost turbine sitting on a shaft in bearings and not using its energy. The combustion of fuel occurs most fully, as it is carried out in a chamber of constant volume, while providing the necessary time for its complete combustion and the necessary coefficient of excess air. Heat losses in the combustion chamber and the associated pressure reduction will be less than in even the most common engines with a crank mechanism, since the ratio of the chamber volume to its surface area is the best. The output shaft with the rotor does not experience radial loads from the gas pressure, since the synchronous operation of the two pistons mutually neutralizes them. This allows the use of rolling bearings, which reduces the friction force in the landing nodes. To reduce friction, the lubricant is brought directly into the contact zone of the pistons with the housing and the rotor with the housing, while cooling them. An important difference between the engine and analogues is that it operates in a diesel mode with internal mixture formation when fuel is injected directly into the combustion chamber.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез двигателя, на фиг.2 - впускной клапан камеры сгорания в разрезе, на фиг.3 - выпускной клапан камеры сгорания в разрезе, на фиг.4 показан поршень.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a section of the engine, Fig.2 is an inlet valve of the combustion chamber in a section, Fig.3 is an exhaust valve of a combustion chamber in a section, Fig.4 shows a piston.

Сущность изобретения: роторный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус 1, имеющий две профилированные рабочие полости 2, две камеры сгорания 9, выполненные в теле корпуса и расположенные диаметрально симметрично между рабочими полостями, и снабженный каналами 17 для охлаждающей жидкости. Цилиндрический ротор 3 с жестко связанным с ним выходным валом. Ротор имеет два профилированных паза, в которых расположены поршни 4, связанные с ротором пальцами 5 и имеющие возможность совершать качательные движения во время вращения ротора, при этом всегда находясь в контакте с корпусом 1 своими наконечниками 8. Ротор и поршни имеют каналы 19 для подвода смазки. Камеры сгорания имеют впускные 11 и выпускные 6 окна, соединяющиеся с рабочими полостями и перекрываемые клапанами, а также форсунки 16 для подачи топлива. В одной из двух торцевых крышек выполнены окна с клапанами для всасывания заряда воздуха и выпуска отработанных газов и отверстия для введения в камеры сгорания болванов 18. Турбина наддува приводится во вращение энергией выхлопных газов.The inventive rotary internal combustion engine contains a stationary housing 1 having two profiled working cavities 2, two combustion chambers 9, made in the body of the housing and located diametrically symmetrical between the working cavities, and provided with channels 17 for the coolant. A cylindrical rotor 3 with a rigidly connected output shaft. The rotor has two profiled grooves in which the pistons 4 are located, connected with the rotor by the fingers 5 and capable of swinging during the rotation of the rotor, while always in contact with the housing 1 with their tips 8. The rotor and pistons have channels 19 for supplying lubricant . The combustion chambers have inlet 11 and outlet 6 windows, connected to the working cavities and blocked by valves, as well as nozzles 16 for supplying fuel. In one of the two end caps there are windows with valves for sucking in an air charge and exhaust exhaust gases and openings for introducing boobs into the combustion chambers 18. The boost turbine is driven by the energy of the exhaust gases.

Двигатель работает следующим образом (описываемые ниже процессы происходят одновременно в двух рабочих полостях). При вращении ротора 3 поршень 4, поворачиваясь на пальце 5 от воздействия центробежной силы, своим наконечником 8 скользит по внутренней поверхности корпуса 1, хвостовиком всегда оставаясь в пазу ротора, и так делит рабочую полость на подпоршневое и надпоршневое пространства. В момент прохождения наконечником поршня 8 выпускного окна 6 камеры сгорания 9 клапан 7 открывает окно 6, и газы от сгоревшей смеси под большим давлением поступают в надпоршневое пространство, толкают поршень 4, создавая крутящий момент на роторе, то есть совершая рабочий ход. Во время рабочего хода в подпоршневом пространстве осуществляется сжатие свежего заряда воздуха, набранного в рабочую полость в предыдущем цикле. В тот момент, когда давление сжимаемого заряда превысит давление в надпоршневом пространстве и камере сгорания, автоматически открывается впускной клапан 10, и заряд заполняет камеру сгорания 9. Одновременно с открытием клапана 10 выпускной клапан 7 принудительно закрывается, и во время его закрытия происходит частичная продувка камеры сгорания от выхлопных газов. При прохождении наконечником поршня 8 зоны впускного окна 11 камеры сгорания 9 клапан 10 от возникающего перепада давления автоматически закрывается, герметизируя окно, при этом выступающая часть клапана входит в полость окна, уменьшая объем «мертвой зоны». В это же время клапанами 12 открываются выхлопные окна 13, и отработанные газы с остаточным давлением около пяти атмосфер поступают на лопасти турбины наддува, установленной в подшипниках на выходном валу. Таким образом, за пол-оборота ротора каждый поршень осуществил такт рабочего хода и такт сжатия заряда воздуха. Продолжая движение, поршень переходит в следующую рабочую полость, где своей внутренней поверхностью вытесняет выхлопные газы, давление которых к этому времени снижается до атмосферного, при этом в момент прохождения наконечником 8 зоны впускного окна 15 открывается клапан 14, и рабочая полость заполняется зарядом свежего воздуха, поступающего из турбины наддува. При прохождении наконечником 8 зоны расположения выхлопного окна 13 оно закрывается клапаном 12, а впускной клапан 14 закрывается в зоне выхода наконечника 8 из рабочей полости. В это же время происходит впрыск топлива через форсунку 16, точный момент впрыска зависит от скорости вращения ротора и рассчитывается так, чтобы к моменту подхода наконечника 8 к выпускному окну 6 камеры сгорания 9 все топливо успело сгореть и давление газов было максимальным. Далее наконечник 8 опять перемещается в следующую рабочую полость, и описанный цикл повторяется.The engine operates as follows (the processes described below occur simultaneously in two working cavities). When the rotor 3 rotates, the piston 4, turning on the finger 5 from the action of centrifugal force, slides with its tip 8 along the inner surface of the housing 1, always shanking it in the rotor groove, and thus divides the working cavity into the sub-piston and under-piston spaces. At the moment the tip of the piston 8 passes through the exhaust window 6 of the combustion chamber 9, the valve 7 opens the window 6, and gases from the burnt mixture under high pressure enter the over-piston space, push the piston 4, creating a torque on the rotor, that is, making a working stroke. During the working stroke in the under-piston space, a fresh charge of air collected in the working cavity in the previous cycle is compressed. At the moment when the pressure of the compressible charge exceeds the pressure in the above-piston space and the combustion chamber, the inlet valve 10 opens automatically and the charge fills the combustion chamber 9. Simultaneously with the opening of the valve 10, the exhaust valve 7 is forcibly closed, and during its closing, the chamber is partially purged. combustion from exhaust gases. When the tip of the piston 8 passes through the zone of the inlet window 11 of the combustion chamber 9, the valve 10 automatically closes from the resulting differential pressure, sealing the window, while the protruding part of the valve enters the cavity of the window, reducing the volume of the "dead zone". At the same time, the exhaust windows 13 are opened by the valves 12, and the exhaust gases with a residual pressure of about five atmospheres enter the blades of the boost turbine installed in the bearings on the output shaft. Thus, for half a revolution of the rotor, each piston performed a stroke of the stroke and a compression stroke of the charge of air. Continuing the movement, the piston passes into the next working cavity, where it displaces exhaust gases with its inner surface, the pressure of which by this time is reduced to atmospheric, and at the moment the tip 8 passes through the zone of the inlet window 15, the valve 14 opens, and the working cavity is filled with a charge of fresh air, boost from turbine. When the tip 8 passes through the zone where the exhaust window 13 is located, it is closed by the valve 12, and the inlet valve 14 closes in the zone where the tip 8 exits the working cavity. At the same time, fuel is injected through the nozzle 16, the exact moment of injection depends on the rotor speed and is calculated so that by the time the tip 8 approaches the exhaust window 6 of the combustion chamber 9, all the fuel has burned out and the gas pressure is maximum. Next, the tip 8 again moves to the next working cavity, and the described cycle is repeated.

Таким образом, за вторые пол-оборота ротора каждый поршень осуществил такт выхлопа отработанных газов и такт всасывания свежего заряда. Введение болвана 18 в камеру сгорания 9 осуществляется своим приводом и не зависит от фазы цикла.Thus, for the second half-turn of the rotor, each piston performed a cycle of exhaust gas exhaust and a cycle of absorption of a fresh charge. The introduction of the block 18 into the combustion chamber 9 is carried out by its drive and does not depend on the phase of the cycle.

Claims (2)

1. Роторный дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с двумя диаметрально симметричными профилированными рабочими полостями, выходной вал, жестко связанный с цилиндрическим ротором, имеющим два профильных паза, в которых на осях, параллельных оси вращения ротора, закреплены поршни, совершающие качающие движения, две торцевые крышки, в одной из которых выполнены два окна, сопряженных с началом каждой рабочей полости для всасывания заряда воздуха, и два окна, сопряженных с концом каждой рабочей полости для выхлопа отработанных газов, отличающийся тем, что две камеры сгорания, каждая из которых имеет вид двух сопряженных цилиндрических полостей, расположены в корпусе двигателя параллельно оси вращения ротора так, что каждое из их впускных окон прямоугольной формы сопряжено с концом одной рабочей полости, а каждое из их выпускных окон сопряжено с началом другой рабочей полости, причем каждое впускное окно со стороны камеры сгорания закрывается клапаном, имеющим форму изогнутой пластины, которая своей цилиндрической поверхностью сопрягается без зазора с цилиндрической поверхностью камеры сгорания вокруг окна, а своей выступающей частью входит с зазором в полость окна путем поворота на оси, параллельной оси цилиндрической полости камеры сгорания и смещенной к ее стенке, а каждое выпускное окно перекрывается клапаном, имеющим вид двух диаметрально симметричных сегментов цилиндра, снабженных уплотнительными элементами, конструкция которых обеспечивает сопряжение без зазора с поверхностью камеры сгорания путем поворота на оси вращения, совмещенной с осью цилиндрической части камеры сгорания, в которой он расположен.1. A rotary diesel internal combustion engine, comprising a stationary housing with two diametrically symmetrical shaped working cavities, an output shaft rigidly connected to a cylindrical rotor having two profile grooves in which pistons performing oscillating movements are fixed on axes parallel to the rotor axis of rotation, two end caps, in one of which two windows are made, paired with the beginning of each working cavity for suction of an air charge, and two windows, coupled with the end of each working cavity for exhaust gas clap, characterized in that two combustion chambers, each of which has the form of two conjugate cylindrical cavities, are located in the engine casing parallel to the axis of rotation of the rotor so that each of their rectangular inlet windows is associated with the end of one working cavity, and each of their exhaust windows is associated with the beginning of another working cavity, and each inlet window from the side of the combustion chamber is closed by a valve having the shape of a curved plate, which mates with its cylindrical surface without a gap with the cylindrical surface of the combustion chamber around the window, and its protruding part enters with a gap in the cavity of the window by turning on an axis parallel to the axis of the cylindrical cavity of the combustion chamber and offset to its wall, and each exhaust window is closed by a valve having the form of two diametrically symmetric segments cylinders equipped with sealing elements, the design of which ensures coupling without a gap with the surface of the combustion chamber by rotation on the axis of rotation, combined with the axis of the cylindrical hour the combustion chamber in which it is located. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеется механизм изменения степени сжатия, состоящий из болвана, вводимого в камеру сгораниями, и привода для его введения.2. The engine according to claim 1, characterized in that there is a mechanism for changing the degree of compression, consisting of a blockhead introduced into the combustion chamber, and a drive for introducing it.

Images