ротативный двигатель.

область техники.

изобретение относится к двигателестроению в частности к роторно- поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано как силовая установка различных машин, в частности для транспортных средств. изобретение позволяет повысить функциональную и техническую эффективность двигателя, а именно, повысить вращающий момент, удельную мощность (мощность на единицу веса), кпд, а также повысить моторесурс двигателя.

предшествующий уровень техники.

известен ротативный двигатель, который содержит корпус, состоящий из образующих полость кольца и боковых крышек с направляющими канавками и впускными и выпускными окнами, размещенный в полости корпуса цилиндрический ротор с рабочими цилиндрами в виде прорезей фигурного профиля в роторе и поршнями, помещенными в цилиндры, направляющие пальцы, установленные на поршне с возможностью взаимодействия с направляющими канавками (патент рф JSfe 2067673, F02B 53/00, 1996) [1]. в таком двигателе поршни выполнены качающимися, а их направляющие пальцы закреплены на свободном конце.

недостатком конструкции такого ротативного двигателя есть ограничения использования объема рабочих цилиндров из-за использования поршней "качающегося типа", что обуславливает низкую удельную мощность двигателя, а также низкий моторесурс двигателя, вызванный использованием на пальце ролика, который, взаимодействуя с канавкой по линии, обуславливает быстрый износ пары "палец-канавка". кроме того, применяемая форма рабочих цилиндров не позволяет интенсивно протекать процессам зажигания и горения, что обуславливает низкий кпд двигателя, а отсутствие уплотне-

ний между ротором и корпусом ведет к утечке рабочего вещества и, в итоге, к снижению кпд.

известен ротативный двигатель, который содержит корпус, состоящий из образующих полость кольца и боковых крышек с направляющими канавками и впускными и выпускными окнами, размещенный в полости корпуса цилиндрический ротор, на торцах которого установлены диски с прорезями, ориентированными радиально и, которые имеют в плоскости обращения ротора дугообразную форму, своей выпуклостью обращенные в сторону обращения ротора, рабочие цилиндры в виде прорезей фигурного профиля и поршни, помещенные в цилиндры и, которые имеют направляющие пальцы, установленные с возможностью взаимодействия с направляющими канавками (патент рф Xs 2158375, F02B 57/00, F02B 53/00, 2000) [2]. в этом двигателе поршни выполнены в виде лопаток и установлены с возможностью поворота в цилиндре вокруг фиксирующих пальцев, зафиксированных в дисках ротора. направляющие яiальцы пропущены сквозь дугообразные прорези дисков ротора с возможностью обратно-поступательного перемещения в них. зазор между внутренними поверхностями боковых крышек ротора, кромок пустот, которые образовывают цилиндры и поверхностью поршня перекрытый уплотнениями.

в сравнении с ротативным двигателем, описанным в [1], известный ротативный двигатель позволяет повысить надежность уплотнения рабочих цилиндров.

однако в остальном такой двигатель имеет те же недостатки, которые присущи двигателю, описанному в [I]: низкая удельная мощность и низкий моторесурс и кпд.

известен ротативный двигатель, который содержит корпус, состоящий из образующих полости кольца и боковых крышек с направляющими канавками и впускными и выпускными окнами, размещенный в полости корпуса цилиндрический ротор в виде дисков с прорезями, в которых с возможностью движения установленные вставки фигурного профиля с рабочими цилиндрами и поршнями двухстороннего действия, помещенными в цилиндры и, которые имеют

пальцы, установленные с возможностью взаимодействия с направляющими канавками (авт. свид. ссср -Nb 1455007, F02B 57/00, 1989) [3]. этот двигатель избран как прототип. вставки в нем выполнены цилиндрическими и с возможностью поворота вокруг своей оси.

в сравнении с ротативным двигателем, описанным в [2], известный рота- тивный двигатель [3] имеет такие преимущества.

наличие поршней двухстороннего действия позволяет повысить плавность преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение ротора за счет уменьшения динамических нагрузок в парах "палец-канавка", что ведет к некоторому повышению моторесурса двигателя. благодаря поршням двухстороннего действия увеличивается удельная мощность. наличие поршней возвратно-поступательного действия вместо поршней "качающегося" типа ведет к улучшению сгорания топливно-воздушной смеси, что обуславливает повышение удельной мощности и кпд двигателя.

однако, так же, как и в известных решениях, использование на пальце ролика обуславливает низкий моторесурс двигателя, отсутствие уплотнений между ротором и корпусом снижает низкий кпд. размещение цилиндров с поршнями в цилиндрических вставках ограничивает число цилиндров в роторе, не исключают полностью проблемы, присущей механизмам преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение ротора в верхний мертвой точке и создают проблемы механического резонанса между частотой вращения ротора и собственной частотой цилиндрических вставок, что ограничивает рост удельной мощности двигателя.

раскрытие изобретения.

в основу изобретения поставлена задача - создать такой ротативный двигатель, который по сравнению с двигателем, избранным как прототип, имел бы более высокую функциональную и техническую эффективность.

поставленная задача решается в предлагаемом ротативном двигателе, который, как и прототип содержит корпус, состоящий из образующих полость

кольца и боковых крышек с направляющими канавками и впускными и выпускными окнами, размещенный в полости корпуса цилиндрический ротор в виде дисков с прорезями, в которых с возможностью движения установлены вставки фигурного профиля с рабочими цилиндрами и поршнями двухстороннего действия, помещенными в цилиндры, которые имеют пальцы, установленные с возможностью взаимодействия с направляющими канавками. согласно изобретению боковые крышки выполнены из металлокерамического материала, прорези в дисках ротора ориентированы радиально и имеют в плоскости вращения ротора дугообразную форму, своей выпуклостью обращены в сторону вращения ротора. в кольце корпуса выполнена, по крайней мере, одна внутренняя полость, которая соединена с системой создания высокого давления. в центральной части ротора установлена соосно ему и с возможностью поворота относительно него шайба с прорезями, ориентированными под углом к радиусу, не равным прямому углу, вставки выполнены дугообразными и с возможностью перемещения в прорезах дисков ротора. вставки имеют тяги с роликами, выполненными с возможностью перемещения в прорезях шайбы, а на пальцы поршней установлены ползуны. для достижения более высокого результата в направляющих канавках между ползунами поршней могут быть установлены дополнительные ползуны. кроме того, в ротативном двигателе вдоль направляющей ротора равномерно могут быть установлены магниты, вдоль направляющей кольца корпуса установлены электрические обмотки, а пальцы поршней могут быть выполнены в виде полупальцев с пружиной, размещенной между ними.

выполнение боковых крышек корпуса из металлокерамического материала позволяет повысить температуру поверхности боковых крышек в зоне рабочего хода поршней без повышения температуры в других зонах, так как теплопроводность металлокерамики может быть заданной значительно ниже теплопроводности металла. это позволяет повысить кпд двигателя, который в

тепловой машине зависит от разности температур рабочего тела во время рабочего хода и после него.

выполнение в дисках ротора вставок, ориентированных радиально и, имеющих в плоскости вращения ротора дугообразную форму, своей выпуклостью обращенные в сторону вращения ротора, позволяет повысить плавность преобразования возвратно-поступательного движения поршней двухстороннего действия во вращение ротора, т.е. снизить динамические нагрузки и увеличить моторесурс, а так же устранить проблему "верхней мертвой точки" и увеличить число цилиндров в роторе, что значительно увеличивает суммарный рабочий объем двигателя без увеличения его массы, т.е. увеличивает удельную мощность и вращающий момент, так как одновременно несколько поршней делают рабочий ход, как к центру ротора, так и от него.

выполнение в кольце корпуса, по крайней мере, одной внутренней полости, которая соединена с системой создания высокого давления, позволяет поддерживать минимальным воздушный зазор между ротором и боковыми крышками корпуса для обеспечения эффективного газодинамического уплотнения в этом зазоре, который создается благодаря тому, что линейная скорость вращения поршня в роторе в несколько раз выше линейной скорости движения поршня в цилиндре. таким образом, трение происходит только в паре ползун- канавка и в паре поршень-цилиндр только по цилиндрической поверхности, что повышает моторесурс и кпд двигателя.

установка в центральной части ротора соосно ему и с возможностью поворота относительно него подвижной шайбы с прорезями, ориентированными под углом к ее радиусу, не равным прямому углу, и установка дугообразных вставок с возможностью перемещения в прорезях дисков, а так же наличие у вставок тяг с роликами, выполненными с возможностью перемещения в прорезах шайбы, позволяет регулировать степень сжатия рабочей смеси в цилиндрах для достижения оптимальных характеристик двигателя в различных режимах его работы, что позволяет повысить вращающий момент и кпд.

установка на пальцах поршней ползунов снижает давление на поверхность направляющей канавки и повышает, таким образом, моторесурс двигателя.

установка вдоль направляющей ротора магнитов, а вдоль направляющей кольца корпуса электрических обмоток позволяет использовать полученную электрическую машину как стартер, электрический генератор, электродинамический тормоз и электродвигатель с большим вращающим моментом с использованием трансмиссии теплового двигателя транспортного средства, что повышает функциональную эффективность двигателя.

выполнение пальцев поршней в виде полупальцев с пружиной, помещенной между ними, позволяет выводить их из зацепления с ползунами поршней и "выключать" поршни при использовании двигателя как электрического.

установка между ползунами поршней дополнительных ползунов из антифрикционного материала, например, в направляющей канавке заполняет единственную полость в двигателе, т.е. исключает путь для прорывов и утечек газов, обеспечивает смазывание поверхности канавки и облегчает зацепление полупальцев поршней с ползунами при включении теплового двигателя.

краткое описание чертежей.

на фиг.l изображен поперечный разрез предлагаемого двигателя; на фиг.2 изображен продольный разрез предлагаемого двигателя; на фиг.з изображен поперечный разрез предлагаемого двигателя с дополнительными ползунами; на фиг.4 изображен поперечный разрез предлагаемого двигателя с магнитами и электрическими обмотками; на фиг.5 изображен продольный разрез предлагаемого двигателя с полупальцами.

варианты осуществления изобретения.

предлагаемая конструкция ротативного двигателя содержит корпус, который состоит из образующих полость кольца 1 (фиг.l) и боковых крышек 2 с направляющими канавками 3. в боковых крышках 2 из металлокерамического материала выполнены впускные 4 и 5 и выпускные 6 и 7 окна. в полость корпуса помещен цилиндрический ротор состоящий из дисков 8 (фиг.2) с проре-

зями 9, в которых с возможностью перемещения установлены вставки 10. прорези 9 ориентированы радиально и имеют в плоскости вращения ротора дугообразную форму, своей выпуклостью обращены в сторону вращения ротора. вставки 10 выполнены дугообразными с возможностью перемещения в прорезях 9 дисков 8 ротора. во вставки 10 помещены поршни 11 двухстороннего действия, которые имеют пальцы 12, установленные с возможностью взаимодействия с направляющими канавками 3. в кольце 1 корпуса выполнена внутренняя полость 13. в центральной части ротора установленная соосно ему и с возможностью поворота относительно него шайба 14 с прорезями 15 (фиг.l), ориентированными под углом к радиусу, не равным прямому углу. вставки 10 имеют тяги 16 (фиг.2) с роликами 17, выполненными с возможностью перемещения в прорезах 15 шайбы 14. на пальцы 12 поршней 11 установлены ползуны 18. в направляющих канавках 3 между ползунами 18 могут быть установлены дополнительные ползуны 19 (фиг.з). вдоль направляющей ротора равномерно могут быть установлены магниты 20 (фиг.4), а вдоль направляющей кольца 1 корпуса установлены электрические обмотки 21 (фиг.5). пальцы 12 поршней 11 могут быть выполнены в виде полупальцев 22 с пружиной 23, помещенной между ними. внутренняя полость 13 кольца 1 соединена с системой 24 создания высокого давления.

промышленная применимость.

предлагаемый двигатель работает так. при вращении ротора поршни 11 во вставках 10 двигаются поступательно за счет взаимодействия ползунов 18 поршней 11 с направляющими канавками 3 в боковых крышках 2 корпуса. при этом во вставках 10, выполняющих роль цилиндров, образовываются области разрежения и сжатия. дальше рассмотрим работу одного из поршней 11 в цилиндре 10. во время вращения ротора и движения поршня к центру ротора рабочая смесь всасывается через окно 4 в разреженную часть полости цилиндра 10.

после достижения поршнем 11 наиболее близкого положения к центру ротора начинается его движение в цилиндре 10 от центра и сжатие рабочей смеси, которая поступила через впускное окно 4. одновременно происходит всасывание через впускное окно 5 рабочей смеси в полость цилиндра 10 по другую сторону поршня 11. в области максимального сжатия рабочая смесь поджигается. происходит рабочий ход поршня 11 к центру ротора.

сила давления рабочего тела (зажженной рабочей смеси) на поршень 11 и сила реакции опоры ползуна 18 на поверхность направляющей канавки 3, дают в итоге моментообразующую силу. из-за того, что в зоне поджига рабочей смеси в предлагаемом двигателе моментообразующая сила не равняется нулю, процесс преобразования движения поршня 11 в цилиндре 10 во вращение ротора происходит более плавно в сравнении с прототипом, что повышает моторесурс двигателя, его вращающий момент и кпд. зоны рабочего хода проходят одновременно несколько цилиндров 10 с поршнями 11 в разной стадии расширения рабочего тела в цилиндре 10. боковые крышки 2 корпуса выполнены из композиционного металлокерамического материала, который благодаря заданной теплопроводности обеспечивает условия для поддержки температуры поверхности боковых крышек 2 в зоне рабочего хода цилиндров 10 значительно выше, чем температура поверхности крышек 2 в других зонах работы двигателя. это снижает потери энергии рабочего тела на нагревание боковых крышек 2 в зоне рабочего хода и приводит к увеличению кпд двигателя.

при движении поршня 11 к центру ротора происходит сжатие рабочей смеси, которая поступила через впускное окно 5. по окончанию рабочего хода поршня 11 максимально сжатая рабочая смесь, которая поступила через впускное окно 5, поджигается. происходит рабочий ход поршня 11 от центра ротора. при этом отработанное рабочее тело выпускается через окно 6. в конце рабочего хода поршень 11 достигает своего наибольшего удаления от центра ротора. при следующем движении поршня 11 к центру ротора проис-

ходит выпуск отработанного рабочего тела через окно 7 с одновременным всасыванием рабочей смеси в полость цилиндра через окно 4. дальше цикл движения поршня 11 повторяется.

во время работы двигателя, благодаря выполнению кольца 1 корпуса полым и связанным с системой 24 высокого давления, зазор между ротором и боковыми крышками 2 поддерживается минимальным при всех режимах двигателя. т.е. осуществляется оптимальное газодинамическое уплотнение, что обеспечивает повышение кпд, удельной мощности и вращающего момента двигателя.

при повороте шайбы 14 цилиндры 10 смещаются в прорезях 15 вдоль своей дуги к центру ротора или от него. при этом изменяется расстояние от поршня 11 в верхней мертвой точке до торцевой поверхности цилиндра 10, т.е. изменяется объем и давление в момент максимального сжатия (степень сжатия рабочей смеси), что позволяет повысить кпд двигателя в различных режимах его работы.

при работе двигателя ползуны 18, установленные на пальцах 12 поршней 11, перемещаясь в направляющей канавке 3, оказывают меньшее давление на ее поверхность, что по сравнению с прототипом повышает моторесурс двигателя.

установка вдоль направляющей ротора магнитов 20, а вдоль направляющей кольца корпуса электрических обмоток 21 позволяет без значительного увеличения габаритов и массы получить электрическую машину с большим вращающим моментом соосно и в одном корпусе с тепловым двигателем, который может служить стартером для теплового двигателя, электрогенератором при работе теплового двигателя, электродинамическим тормозом транспортного средства, электродвигателем транспортного средства с использованием трансмиссии теплового двигателя. это позволяет повысить функциональную эффективность двигателя и открывает широкие возможности его применения.

для повышения эффективности работы двигателя как электрического пальцы поршней выполнены в виде полупальцев 22, подпружиненныхизнутри пружиной 23, и с возможностью вывода их из зацепления с ползунами 18 поршней 11. таким образом, при работе электрического двигателя поршни 11 занимают положение на максимальном радиусе ротора и не совершают возвратно-поступательного движения в цилиндрах, что повышает эффективность работы электрического двигателя.

заполнение канавки 3 дополнительными пассивными ползунами 19, расположенными между ползунами 18 поршней 11, исключает единственную полость в двигателе, через которую может происходить прорыв и утечка газов и позволяет точно позиционировать цепь из ползунов 18 относительно поршней 11 в цилиндрах 10 в момент их "включения" при переходе к работе теплового двигателя.

таким образом, предлагаемый ротативный двигатель по сравнению с двигателем, избранным как прототип имеет более высокую функциональную и техническую эффективность.