РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ЛОПАТОЧНОГО ТИПА Российский патент 1995 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению, и может быть использовано в энергомашиностроении, тракторостроении, автомобилестроении, тепловозо- и судостроении, сельском хозяйстве.

Известны конструкции роторных двигателей: Ванкеля, лопаточные, эксцентриковые, кулачковые и другие.

Основным преимуществом роторных двигателей перед поршневыми является компактность, малый удельный вес, хорошая приемистость и пусковые качества.

К недостаткам роторных двигателей относятся трудность уплотнения, охлаждения и смазки ротора, сложность кинематики в двигателях Ванкеля, сложность организации смесеобразования, воспламенения, газораспределения. Последние недостатки частично устранены в двигателях с непрерывным сгоранием заряда.

Наиболее близким по принципу действия, конструктивному решению и достигаемому результату является роторный ДВС лопаточного типа с непрерывным сгоранием заряда, содержащий полый корпус, торцовые крышки с установленными в них неподвижными газотопливораспределительными шайбами и отверстиями для сжатого воздуха, цилиндрический ротор с пазами и лопатками с возможностью возвратно-поступательного движения, камеру непрерывного сгорания, свечу зажигания, систему топливоподачи и газообмена. В выпусках ротора выполнены каналы для подвода сжатого воздуха и топлива. В радиальных пазах ротора установлены подвижные лопатки, перемещающиеся по закону, определяемому конфигурацией кулачкового паза в одной из крышек корпуса ДВС. Паз обеспечивает прохождение лопаток мимо разделяющих выступов рабочей полости при вращении ротора. Между лопатками ротора на его наружной поверхности выполнены наклонные поперечные канавки, с помощью которых сжатый воздух непрерывно перетекает в камеру сгорания ДВС. Топливо, непрерывно вспрыскиваемое в камеру сгорания, в момент пуска воспламеняется от свечи зажигания, а последующие непрерывное горение поддерживается калильным элементом.

Недостатком такой конструкции является наличие выступов в рабочей полости двигателя, что вынуждает создать сложный кулачковый привод для движения лопаток, предупреждающий их поломку при ударе о выступы. В случае регулировки привода такая опасность поломки возникает, что значительно снижает надежность двигателя и усложняет его эксплуатацию.

Цель изобретения - повышение надежности работы предлагаемого двигателя, а также уменьшение веса, габаритов и упрощение обслуживания.

Указанная цель достигается тем, что подвод воздуха и топлива осуществляется через торцовые крышки, имеющие неподвижные уплотнительные газотопливораспределительные шайбы, что позволяет отказаться от выступов внутри рабочей полости и специального кулачкового привода, резко усложняющего конструкцию двигателя.

Сущность изобретения заключается в наличии специальных уплотнительных неподвижных газотопливораспределительных шайб с определенным образом расположенными отверстиями для подвода сжатого воздуха и топлива и отвода выпускных газов, а также камеры воспламенения со свечей накаливания. Причем камера воспламенения имеет форму, обеспечивающую "мягкое" сгорание топливовоздушной смеси. Открытие и закрытие отверстий в этих шайбах производится торцовыми поверхностями лопаток при вращении ротора, которые скользят по внутренним поверхностям каждой шайбы. При этом отпадает необходимость в выступах и кулачковом приводе лопаток. Таким образом, отличительным признаком от прототипа является замена выступов и кулачкового привода торцовыми уплотнительными шайбами с отверстиями, обеспечивающими газораспределение, топливоподачу и воспламенение в соответствии с рабочим циклом двигателя.

На фиг. 1 приведено поперечное сечение предлагаемого роторного двигателя лопаточного типа с непрерывной подачей воздуха, топлива и свечей накаливания; на фиг. 2 - продольный разрез двигателя.

Роторный двигатель лопаточного типа содержит цилиндрический корпус 1, ротор 2 с пазами под лопатки 3, крышки 4 с подшипниками 5, уплотнительными неподвижными газотопливораспределительными шайбами 6, отверстиями 7-9 подвода топлива, подвода сжатого воздуха, выпуска отработанных газов соответственно, стяжными шпильками 10, отверстия 11 для установки свечи зажигания, выполненной в виде свечи накаливания.

Цилиндрический ротор расположен в корпусе эксцентрично, что обеспечивает необходимое изменение рабочего объема между лопатками и степень сжатия, которая определяется как отношение максимального объема между лопатками в момент закрытия воздушного отверстия к минимальному в конце сжатия.

Роторный двигатель работает следующим образом.

При запуске двигателя происходит вращение ротора 2 от постороннего источника, лопатки 3 под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности корпуса 1, открывая поочередно межлопаточные пространства с отверстиями 9, 8, 7 и 11. В результате этого в каждой камере между лопатками последовательно происходят процессы выпуска отработанных газов, наполнение свежим воздушным зарядом, сжатие, образование топливо-воздушной смеси, воспламенение топливо-воздушной смеси, сгорание, расширение, выпуск. За один оборот ротора в каждой секции межлопаточного пространства последовательно протекают указанные процессы, образуя рабочий цикл ДВС.

Для уменьшения веса и габаритов двигателя за счет отказа от системы принудительного охлаждения и смазки детали, соприкасающиеся с рабочим телом, могут быть выполнены из углерод-углеродного композиционного материала или термостойкой керамики (карбид кремния, окись циркония и др.).

Для лучшего воспламенения и повышения надежности холодного запуска поверхность камеры воспламенения и свечи накаливания покрывается катализатором, увеличивающим скорость химических реакций.

Для повышения износостойкости и уменьшения потерь на трение внутренняя поверхность цилиндрического корпуса, торцовые уплотнительные шайбы покрываются термостойким антифрикционным составом, например, на основе графита, а лопатки выполняются из композиционного углерод-углеродистого материала, армирующий каркас которого выполнен из углеродных волокон, ориентированных перпендикулярно к поверхности трения, а монолитная матрица представляет собой пиролитический углерод, полученный химическим осаждением из среды углеродсодержащего газа.

Предлагаемая конструкция двигателя позволяет организовать мягкое сгорание (бесшумное) без резкого повышения давления при вспышке. Практически за счет геометрии воспламенительной камеры можно обеспечить процесс сгорания весьма близким к избранному (квазиизобарный процесс).

Предложенный двигатель может работать не только на жидком топливе, но и на природном газе. В этом случае система топливоподачи должна быть смещена с системой подвода воздуха. В этом случае во всасывающий тракт вставляется газовый инжектор, который подсасывает воздух из атмосферы, через стабилизатор и диффузор горючая смесь поступает через отверстие 8 в межлопаточное пространство двигателя и далее совершается процесс сжатия, воспламенения, горения, расширения, выпуска.

Примером конкретного выполнения роторного ДВС лопастного типа с непрерывным горением является опытный двигатель, разработанный и изготовленный в Николаевском кораблестроительном институте. Двигатель имеет корпус с внутренним диаметром 150 мм, ротором диаметром 120 мм, длиной 100 мм. Лопатки, ротор, торцовые шайбы и корпус выполнены из углерод-углеродного композита на основе углеродной ткани типа УРАЛ-Т. При частоте вращения ротора 6000 м^-1 мощность составляет 24 кВт, общая масса двигателя 12 кг.

Двигатели подобной конструкции являются наиболее перспективными для спасательных шлюпок и моторных лодок, неподвижных электростанций и компрессорных установок, судов малотоннажного флота.

Достоинствами предлагаемой конструкции роторного двигателя по сравнению с традиционными поршневыми являются уменьшение удельного веса в 5-10 раз; возможность работы на любом топливе (жидком и газообразном); уменьшение габаритов в 2-3 раза; возможность холодного запуска и работы в накрененном и перевернутом состояниях.

Роторный двигатель внутреннего сгорания лопаточного типа содержит полый корпус, торцовые крышки с установленными в них неподвижными торцовыми уплотнительными газотопливораспределительными шайбами и отверстиями для сжатого воздуха, ротор с пазами и лопатками, размещенными в пазах с возможностью возвратно-поступательного движения, камеру непрерывного сгорания, свечу накаливания, системы топливоотдачи, газообмена, охлаждения и смазки. В торцовых крышках и шайбах выполнены соосные отверстия для подвода сжатого воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и установки свечи зажигания, выполненной в виде свечи накаливания. Все детали, ограничивающие рабочий объем, выполнены из углерод-углеродного композита или термостойкой керамики. Поверхности камеры сгорания и свечи накаливания имеют каталитическое покрытие. Внутренняя поверхность полости корпуса выполнена цилиндрической. На ее поверхности и на торцовых уплотнительных газотопливораспределительных шайбах нанесено покрытие из антифрикционного термостойкого материала на основе графита. Лопатки выполнены из композиционного углерод-углеродного материала с армирующим каркасом из предварительно напряженных углеродных волокон, ориентированных перпендикулярно к поверхности трения. Основа монолитной матрицы лопатки представляет собой пиролитический углерод, полученный путем химического осаждения из среды углеродсодержащего газа. Система топливоотдачи выполнена газовой, совмещена с отверстием подвода воздуха и выполнена в виде газовоздушного инжектора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ЛОПАТОЧНОГО ТИПА с непрерывным сгоранием, содержащий полый корпус, торцевые крышки с установленными в них неподвижными торцевыми уплотнительными газотопливораспределительными шайбами и отверстиями для сжатого воздуха, цилиндрический ротор с пазами и лопатками, установленными в пазах с возможностью возвратно-поступательного движения, камеру непрерывного сгорания, свечу зажигания, системы топливоподачи и газообмена, отличающийся тем, что, с целью повышения удобства в обслуживании и улучшения массогабаритных характеристик, в торцевых крышках и шайбах выполнены соосные отверстия соответственно для подвода сжатого воздуха, топлива, выпуска отработавших газов и установки свечи зажигания, выполненной в виде свечи накаливания. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, все детали, ограничивающие рабочий объем, выполнены из углерод-углеродного композита или термостойкой каремики. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и надежности холодного пуска, поверхности камеры сгорания и свечи накаливания имеют каталитическое покрытие. 4. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости и уменьшения потерь на трение, внутренняя поверхность полости корпуса выполнена цилиндрической, на ее поверхности, на торцевые уплотнительные газотопливораспределительные шайбы нанесено покрытие из антифрикционного термостойкого материала на основе графита, лопатки выполнены из композиционного углерод-углеродного материала с армирующим краксом из предварительно напряженных углеродных волокон, ориентированных перпендикулярно поверхности трения, а основа монолитной матрицы лопатки представляет собой пиролитический углерод, полученный путем химического осаждения из среды углеродсодержащего газа. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, система топливоподачи выполнена газовой, совмещена с отверстием подвода воздуха и выполнена в виде газовоздушного инжектора.