Патент на изобретение №2310082

(54) РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям роторным внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить эффективности работы, упростить конструкцию и усовершенствовать работу роторных двигателей. Роторный двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндрического статора, разделенного на три поперечные рабочие зоны с внутренней рабочей поверхностью правильной окружности, с размещенными в статоре радиально подпружиненными компрессионными плашками, с концентрически расположенными в рабочих зонах на одном валу тремя роторами. Два крайних ротора имеют одинаковую конфигурацию с двумя рабочими выступами, а средний с четырьмя рабочими выступами. Соответственно крайние рабочие зоны статора идентичны между собой, но при этом смещены на 90 град. по отношению друг к другу. Каждая разделена подпружиненными компрессионными плашками на два участка через 180 град. Средняя рабочая зона статора разделена подпружиненными компрессионными плашками на четыре равных компрессионных участка через 90 град. Двигатель имеет одну среднюю рабочую зону, в статоре которой четыре компрессионных плашки, четыре компрессионных камеры, четыре окна всаса воздуха, четыре электромагнитные форсунки первого контура, четыре места подключения электромагнитных форсунок второго контура. Двигатель имеет две крайних рабочих зоны, в статорах каждой из которых две компрессионных плашки, две камеры сгорания, две электромагнитных форсунки второго контура, два средства зажигания, две объемные камеры рабочего хода расчетной величины, два окна выхлопа продуктов сгорания. Процессы всаса, приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания выделены в отдельную среднюю рабочую зону, а процессы воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа выделены в две крайние рабочие зоны. Камеры сгорания, расположенные в корпусе статора, являются неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделены. Двигатель имеет два контура электромагнитных форсунок (8 шт.), первый контур электромагнитных форсунок (4 шт.), обеспечивающих подачу горючего в компрессионное пространство приготовления горючей смеси, второй контур электромагнитных форсунок (4 шт.), обеспечивающих подачу горючей смеси в камеры сгорания. Электромагнитные форсунки первого контура имеют два режима подачи горючего, первый через 180 град. поворота рабочего вала, второй через 90 град. поворота рабочего вала. Электромагнитные форсунки второго контура отрегулированы на работу с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания после ее перекрытия рабочим выступом ротора крайней рабочей зоны. Двигатель имеет два режима работы, обычный и форсированный, с возможностью использования их в процессе постоянной эксплуатации путем простого переключения с одного на другой. При обычном режиме работы двигателя обеспечивается продувка камеры сгорания одновременно с течением рабочего хода и при этом за счет подачи минимального объема остатков горючей смеси усиливается рабочий ход роторов крайних рабочих зон. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям роторным внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве привода в различных машинах, энергетических установках, автомобилях, летательных аппаратах, судостроении и других отраслях, связанных с использованием силовых установок. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя при достижении ряда новых достоинств, не характерных для роторных двигателей сегодняшнего дня. Сущность изобретения заключается в том, что роторный двигатель состоит из цилиндрического статора, в приведенном примере разделенного на три поперечные рабочие зоны (но в зависимости от необходимой мощности, габаритов и назначения может состоять из оптимального их количества), и концентрически расположенных в рабочих зонах на одном валу трех роторов, два из которых крайние, имеющие одинаковую конфигурацию, средний, – отличную от них. В средней рабочей зоне происходят процессы всасывания, сжатия горючей смеси и подачи ее на форсунки второго контура двух крайних рабочих зон. В двух крайних рабочих зонах происходит воспламенение горючей смеси, рабочий ход роторов и выхлоп отработанных газов.

Описание изобретения.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2203430 от 27.04.2003, состоящий из корпуса статора с внутренней цилиндрической поверхностью и с камерой сгорания, ротора с профилированной внешней поверхностью и одним выступом сопряжения с рабочей поверхностью статора, трех компрессионных заслонок (в т.ч. двух на входе и выходе камеры сгорания и третьей диаметрально противоположно между выхлопным и всасывающими коллекторами), установленных в пазах статора с возможностью контакта с профилированной внешней поверхностью ротора для образования полостей всаса и сжатия.

Недостатками данного двигателя являются:

– процесс всасывания топливной смеси происходит на целый оборот ротора раньше ее подачи в камеру сгорания, что сопряжено с ее оседанием на стенки камеры всасывания и, как результат, снижением эффективности работы двигателя;

– в описании не указано, что удерживает заслонку на входе в камеру сгорания в открытом положении в период нагнетания горючей смеси в нее и что удерживает заслонку на выходе из камеры сгорания в открытом положении в период рабочего хода ротора;

– наличие двух из трех заслонок без указания метода их работы подразумевает необходимость исполнения систем, управляющих ими, что сопряжено с организацией сложных кинематических или газовых систем, Если попытаться определить коэффициент использования общей рабочей поверхности двигателя к поверхности рабочего хода за один полный оборот вала, то в данном случае он близок к величине 0,5. При этом показателем эффективности также может быть соотношение поверхности рабочего хода к компрессионному ходу приготовления горючей смеси, который равен 1,0.

Также известен роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2196905 от 20.01.2003, отличающийся от предыдущего:

– цикличностью работы приведенных в нем моделей;

– введением дополнительного числа подвижных заслонок;

– введением значительного числа впускных, выпускных и перепускных клапанов.

Анализ конструкции данного двигателя показывает:

– камера сгорания, которая должна быть единой неотъемлемой частью двигательного контура (объема расширения взрыва горючей смеси – особенно в начальный период), в данном двигателе отделена от него мало окном, так еще с выпускным клапаном, работающим постоянно во взрывных условиях, который через себя должен пропускать начальную фазу взрыва в основной двигательный объем, что сопряжено со значительной вероятностью его поломок и снижением мощности двигателя;

– двигатель обременен сложными кинематическими схемами управления множеством заслонок, впускных, выпускных и перепускных клапанов, в том числе с участием электродвигателей. Представляется, что надежная работа всей этой сложности трудно гарантируема;

– коэффициент соотношения использования общей рабочей поверхности двигателя к поверхности рабочего хода за один полный оборот вала в самой эффективной модели данного патента равен 1,0;

– коэффициент соотношения поверхности рабочего хода к компрессионному ходу приготовления горючей смеси равен 1,0.

Наиболее близким к предлагаемому, по начальной идее, является роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2161708 от 10.01.2001, содержащий корпус (статор) с внутренней цилиндрической поверхностью, с камерой сгорания на боковой поверхности, ротор с профилированной внешней поверхностью и две радиальные заслонки, установленные в пазах корпуса с возможностью контакта с профилированной внешней поверхностью ротора для образования полости сжатия горючей смеси и полости расширения продуктов сгорания с переменными рабочими объемами (прототип).

Недостатком известного двигателя является то, что сжимаемая горючая смесь, поступая в камеру «сжатой горючей смеси» через перепускной клапан, на входе в камеру не сможет там быть в сжатом состоянии, а тут же начнет переливаться через выпускное окно в пространство рабочего хода после заслонки, так как в патенте совершенно не оговорены и не предусмотрены условия, обеспечивающие закрытие окна выступом ротора, в связи с чем реально будет только перетекание горючей смеси в пространство рабочего хода, свободное воспламенение, совершенно не полное сгорание и все это в «догонку» уходящему выступу ротора вплоть до выпускного окна. В таких условиях возможность работы двигателя сомнительна.

О каких-либо иных особенностях камеры сгорания, месте нахождения выпускного окна камеры сгорания, конфигурации ротора в патенте нет никаких оговорок.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в устранении вышеотмеченных недостатков двигателей аналогов и прототипа, а также в повышении эффективности и дальнейшем усовершенствовании технологии работы роторных двигателей внутреннего сгорания:

– по возможности избежать излишнего количества заслонок, клапанов и особенно сложных систем их управления;

– обеспечить технологическое единство камеры сгорания с двигательным объемом рабочего хода;

– обеспечить исполнение классического требования ДВС о воспламенении горючей смеси «до ВМТ»;

– осуществить увеличение рабочего хода двигателя по отношению к компрессионному как в объемном измерении, так и в линейном и в угловом, что позволит дать значительное увеличение использования инерции силы взрыва горючей смеси в пределах планируемой эффективности;

– одновременно с течением рабочего хода осуществлять продувку камеры сгорания;

– предусмотреть работу двигателя в двух режимах – в обычном и в форсированном, и сделать это возможным в процессе постоянной эксплуатации путем их простого переключения с одного на другой.

Технический результат достигается тем что, в роторном двигателе внутреннего сгорания, состоящем из цилиндрического статора, разделенного на три поперечные рабочие зоны с внутренней рабочей поверхностью правильной окружности, с размещенными в статоре радиально подпружиненными компрессионными плашками, с концентрически расположенными в рабочих зонах на одном валу тремя роторами, согласно изобретению два крайних ротора имеют одинаковую конфигурацию с двумя рабочими выступами, а средний с четырьмя рабочими выступами, соответственно крайние рабочие зоны статора идентичны между собой, но при этом смещены на 90 град. по отношению друг к другу, и каждая разделена подпружиненными компрессионными плашками на два участка через 180 град., средняя рабочая зона статора разделена подпружиненными компрессионными плашками на четыре равных компрессионных участка через 90 град. Двигатель может иметь одну среднюю рабочую зону, в статоре которой четыре компрессионных плашки, четыре компрессионных камеры, четыре окна всаса воздуха, четыре электромагнитные форсунки первого контура, четыре места подключения электромагнитных форсунок второго контура. Двигатель может иметь две крайних рабочих зоны, в статорах каждой из которых две компрессионных плашки, две камеры сгорания, две электромагнитных форсунки второго контура, два средства зажигания, две объемные камеры рабочего хода расчетной величины, два окна выхлопа продуктов сгорания. Процессы всаса, приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания могут быть выделены в отдельную среднюю рабочую зону, а процессы воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа выделены в две крайние рабочие зоны. Камеры сгорания, расположенные в корпусе статора, являются неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделены. Двигатель может иметь два контура электромагнитных форсунок (8 шт.), первый контур электромагнитных форсунок (4 шт.), обеспечивающих подачу горючего в компрессионное пространство приготовления горючей смеси, второй контур электромагнитных форсунок (4 шт.), обеспечивающих подачу горючей смеси в камеры сгорания. Электромагнитные форсунки первого контура имеют два режима подачи горючего, первый через 180 град. поворота рабочего вала, второй через 90 град. поворота рабочего вала. Электромагнитные форсунки второго контура отрегулированы на работу с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания после ее перекрытия рабочим выступом ротора крайней рабочей зоны. Двигатель может иметь два режима работы – обычный и форсированный с возможностью использования их в процессе постоянной эксплуатации путем простого переключения с одного на другой. При обычном режиме работы двигателя обеспечивается продувка камеры сгорания одновременно с течением рабочего хода и при этом за счет подачи минимального объема остатков горючей смеси усиливается рабочий ход роторов крайних рабочих зон.

Средняя рабочая зона статора (Фиг.1) – это цилиндр с внутренней поверхностью правильной окружности, которая является рабочей, при этом она разделена на четыре равных участка (по осям) под 90 град., на каждом из которых размещены:

– патрубок забора воздуха;

– гнездо установки электромагнитной форсунки первого контура;

– патрубок подключения электромагнитной форсунки второго контура;

– подпружиненная компрессионная плашка.

В статоре средней рабочей зоны концентрически расположен ротор с посадкой на общий рабочий вал со смещением на расчетный угол «А» против хода вращения по отношению к роторам крайних рабочих зон, имеющий четыре выступа со скругленными углами, радиус закругления которых равен радиусу рабочей поверхности цилиндра статора. Рабочей поверхностью ротора является внешняя. Угловая протяженность «В» закругления выступов ротора является расчетной, исходя из требования обеспечения необходимого углового совпадения поверхности выступа ротора с окружностью статора, а рабочие грани между выступами могут быть от выпуклых до вогнутых в зависимости от мощности, назначения и габаритов двигателя в соответствии с необходимым расчетным объемом компрессионного пространства.

Две крайние рабочие зоны статора (Фиг.2) с цилиндрически правильной окружностью внутренней поверхности разделены на два равных участка под 180 град., но со смещением на 90 град. по отношению друг к другу, на каждом из которых размещены:

– подпружиненные компрессионные плашки диаметрально противоположно под углом 180 градусов;

– камеры сгорания расчетного объема с электромагнитными форсунками второго контура, средствами зажигания горючей смеси;

– выхлопной патрубок отработавших газов.

Роторы крайних рабочих зон размещаются на одном валу с ротором средней рабочей зоны, имеют по две вершины и разделены каждый на два диаметрально противоположных участка, имеющих специальную расчетно-объемную конфигурацию, должную обеспечить наиболее эффективный рабочий ход ротора. По отношению друг к другу роторы крайних рабочих зон смещены под углом 90 град. Вершины роторов крайних рабочих зон имеют расчетную протяженность, совпадающую по радиусу закругления с внутренней окружностью статора, и должны обеспечить на расчетный угол «d» перекрытие камеры сгорания на период, необходимый для заполнения камеры сгорания горючей смесью, для создания необходимого ее сжатия и для осуществления зажигания с опережением на необходимый угол «С» от ВМТ.

Сущность изобретения поясняется чертежами с указанием основных частей, из которых состоит роторный двигатель внутреннего сгорания.

Фиг.1 – средняя рабочая зона роторного двигателя «в положении завершения сжатия горючей смеси в камере сгорания»:

1 – статор, 2 – ротор, 3 – выступ ротора, 4 – компрессионная камера всаса и сжатия, 5 – компрессионная плашка в пазу статора, 6 – окно всаса воздуха, 7 – гнездо установки электромагнитной форсунки первого контура, 8 – место подключения форсунки второго контура, угол «В» – расчетное необходимое угловое совпадение поверхности выступа ротора с окружностью статора, угол «А» – расчетный угол размещения места подключения форсунки второго контура и величина смещения ротора против хода по отношению к роторам крайних рабочих зон.

Фиг.2 – крайняя рабочая зона роторного двигателя «в положении завершения рабочего хода, сжатия горючей смеси в камере сгорания – момент зажигания»:

1 – статор, 9 – ротор крайней рабочей зоны, 10 – объемная камера рабочего хода и выхлопа отработавших газов, 11 – выступ ротора, 12 – компрессионная плашка в пазу статора, 13 – камера сгорания горючей смеси, 14 – гнездо установки электромагнитной форсунки второго контура в камере сгорания, 15 – гнездо установки средства зажигания в камере сгорания, 16 – окно выхлопа продуктов сгорания горючей смеси, угол «d» – расчетный угол перекрытия камеры сгорания, угол «С» – расчетный угол опережения зажигания от ВМТ.

Принцип работы предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания.

Ротор 2, размещенный в корпусе статора 1 средней рабочей зоны (Фиг.1), совершая вращательное движение по ходу стрелки и при этом взаимодействуя своими выступами 3 с рабочей поверхностью статора 1, создает в компрессионных камерах 4 зоны всаса и зоны сжатия, до себя и перед собой по ходу вращения, через каждые 90 град. оборота, образуемые поверхностями статора, ротора и подпружиненными компрессионными плашками 5. При этом в зоне всаса после себя выступ 3 ротора 2 осуществляет всас воздуха через всасывающее окно 6, одновременно струя воздуха подхватывает впрыснутую электромагнитной форсункой первого контура порцию горючего, которое, взаимодействуя с высокой температурой компрессионной камеры 4, испаряется. Одновременно в зоне сжатия перед собой выступ 3 ротора 2 осуществляет сжатие образовавшейся горючей смеси и через место подключения форсунки второго контура 8 направляет горючую смесь через форсунку второго контура 14 в камеру сгорания 13 (Фиг.2). Необходимо отметить, что электромагнитная форсунка второго контура 14 отрегулирована на осуществление подачи горючей смеси в камеру сгорания 13 с задержкой до полного перекрытия камеры сгорания 13 выступом 11 ротора 9 крайней рабочей зоны, после чего горючая смесь, поступая в камеру сгорания, дожимается до расчетной степени сжатия продолжающим вращение выступом 3 ротора 2 средней рабочей зоны до полного перекрытия им места подключения форсунки второго контура в средней рабочей зоне. После этого происходит воспламенение горючей смеси в камере сгорания 13 средством зажигания 15 с опережением на расчетный угол «С» – до ВМТ. При дальнейшем движении выступа 11 ротора 9 крайней рабочей зоны начинает образовываться объемная камера рабочего хода между поверхностями статора 1, ротора 9, подпружиненной компрессионной плашкой 12 и камерой сгорания 13 с последующим ее ростом до поворота ротора 9 на 180 град. и до прохождения выступом 11 ротора 9 окна выхлопа продуктов сгорания 16. При этом осуществился увеличенный рабочий ход ротора на 180 град. с максимальным использованием инерции силы взрыва горючей смеси, созданной в компрессионной камере на величине поворота ротора 9 на 90 град. Но учитывая, что в средней рабочей зоне ротор 2 имеет четыре рабочих выступа 3 и статор четыре камеры всаса и нагнетания, образуемые четырьмя компрессионными плашками, размещенными через 90 град., то в течение полного на 180 град. рабочего хода ротора 9 крайней рабочей зоны при его промежуточном повороте на 90 град. происходит продувка камеры сгорания за счет нагнетания воздуха следующим выступом 3 ротора 2 средней рабочей зоны с незначительным содержанием паров горючего, что только усиливает ход ротора 9 при обычном режиме работы двигателя, предусматривающем и работу форсунок первого контура «через раз», т.е. при повороте ротора 2 на 180 град.

Особенности конструкции средней рабочей зоны позволяют организацию одновременной подачи горючей смеси и одновременное ее «дожатие» в обеих камерах сгорания, обеих рабочих зон, за счет одновременного прихода выступов 3 ротора 2 средней рабочей зоны сразу двух по вертикали и сразу двух по горизонтали, при таком же расположении камер сгорания в крайних рабочих зонах – двух камер сгорания по вертикали в одной крайней рабочей зоне и двух камер сгорания по горизонтали в другой крайней рабочей зоне.

Описанный выше режим работы является обычным, как было уже отмечено при работе форсунок первого контура по подаче горючего «через раз», т.е. через 180 град. поворота ротора 2.

В предлагаемом двигателе предусмотрен второй режим работы – форсированный, использование которого возможно в процессе постоянной эксплуатации путем простого включения электромагнитных форсунок первого контура 7 в режим подачи топлива через каждые 90 град. вращения ротора 2 средней рабочей зоны, что позволит обеспечить подачу горючей смеси через каждые 90 град. поворота ротора 9 крайних рабочих зон, но только уже «через раз» в «догонку» идущему рабочему ходу.

Следует отметить, что электромагнитные форсунки первого контура и второго должны иметь существенные конструктивные различия, т.к. если первые обеспечивают впрыск незначительного объема горючего, то вторые должны обеспечить впрыск горючей смеси за короткий промежуток времени более значительного объема.

Исходя из того, что сущность заявленного решения на данный период не раскрыта в патентной и другой литературе, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».

Заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как оно характеризуется новой совокупностью существенных признаков, таких как:

– выделение в отдельный рабочий объем (зону) процессов всаса и приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания (средняя рабочая зона);

– выделение в отдельный рабочий объем (зону) процессов воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа (крайние рабочие зоны);

– расположение камеры сгорания в корпусе статора таким образом, что она является неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделена;

– наличие двух контуров электромагнитных форсунок для обеспечения подачи горючего в компрессионное пространство первым контуром и обеспечение подачи горючей смеси в камеру сгорания вторым контуром;

– работа электромагнитных форсунок первого контура в двух режимах подачи горючего, первый – подача через 180 град. поворота рабочего вала, при этом обеспечивается продувка камеры сгорания, второй – через 90 град. поворота вала;

– регулировка электромагнитных форсунок второго контура осуществлена с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания на расчетную величину, необходимую для осуществления ее перекрытия рабочим выступом ротора крайней рабочей зоны.

Об эффективности предлагаемого решения можно судить по:

– коэффициенту соотношения использования общей рабочей поверхности двигателя к поверхности рабочего хода за один полный оборот вала, равному в заявленном двигателе 1,33 при 1,0 в известных;

– соотношению величины рабочего хода как в линейном, так и в угловом измерении к величине компрессионной камеры, равному в заявленном двигателе 2,0 при 1,0 в известных.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндрического статора, разделенного на три поперечные рабочие зоны с внутренней рабочей поверхностью правильной окружности, с размещенными в статоре радиально подпружиненными компрессионными плашками, с концентрически расположенными в рабочих зонах на одном валу тремя роторами, отличающийся тем, что два крайних ротора имеют одинаковую конфигурацию с двумя рабочими выступами, а средний с четырьмя рабочими выступами, соответственно крайние рабочие зоны статора идентичны между собой, но при этом смещены на 90° по отношению друг к другу и каждая разделена подпружиненными компрессионными плашками на два участка через 180°, средняя рабочая зона статора разделена подпружиненными компрессионными плашками на четыре равных компрессионных участка через 90°.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет одну среднюю рабочую зону, в статоре которой четыре компрессионных плашки, четыре компрессионных камеры, четыре окна всаса воздуха, четыре электромагнитные форсунки первого контура, четыре места подключения электромагнитных форсунок второго контура.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет две крайних рабочих зоны, в статорах каждой из которых две компрессионных плашки, две камеры сгорания, две электромагнитных форсунки второго контура, два средства зажигания, две объемные камеры рабочего хода расчетной величины, два окна выхлопа продуктов сгорания.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что процессы всаса, приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания выделены в отдельную среднюю рабочую зону, а процессы воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа выделены в две крайние рабочие зоны.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камеры сгорания, расположенные в корпусе статора, являются неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделены.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель имеет два контура электромагнитных форсунок (8 шт.), первый контур электромагнитных форсунок (4 шт.), обеспечивающих подачу горючего в компрессионное пространство приготовления горючей смеси, второй контур электромагнитных форсунок (4 шт.), обеспечивающих подачу горючей смеси в камеры сгорания.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные форсунки первого контура имеют два режима подачи горючего, первый через 180° поворота рабочего вала, второй через 90° поворота рабочего вала.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные форсунки второго контура отрегулированы на работу с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания после ее перекрытия рабочим выступом ротора крайней рабочей зоны.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет два режима работы, обычный и форсированный, с возможностью использования их в процессе постоянной эксплуатации путем простого переключения с одного на другой.

10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что при обычном режиме работы двигателя обеспечивается продувка камеры сгорания одновременно с течением рабочего хода и при этом за счет подачи минимального объема остатков горючей смеси усиливается рабочий ход роторов крайних рабочих зон.

РИСУНКИ