РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 F02B53/10 

Изобретение относится к конструкциям роторных двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в двигателях транспортных средств.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий установленный в корпусе с полостью ротор, с профилированной поверхностью, выполняющей роль поршня [1] При вращении ротора в полости корпуса чередуются зоны сжатия, сгорания смеси, расширения, выхлопа отработанных газов. Роторные двигатели имеют более высокий КПД, по сравнению с поршневыми, из-за отсутствия возвратно-поступательного движения поршня.

Общие проблемы при использовании роторных двигателей это герметизация рабочих зон при движении ротора, температурные деформации частей, связанных с обтюрацией, оптимальные параметры подачи топлива и его воспламенения.

Наиболее близким по своей сущности техническим решением, принятым за прототип, является роторный двигатель, содержащий корпус и установленный в нем на валу ротор, с профилированной поверхностью, образующей поршневые выступы, граничащие с камерами охлаждения и зонами расширения [2] В роторе выполнены каналы подачи топливной смеси в зону сжатия, образованную профилем ротора. При вращении ротора зона сжатия переходит в зону сгорания, образованную выемкой в корпусе, с размещенной в ней свечой зажигания. Далее при вращении ротора возникает зона расширения, в которую подается охлаждающая среда (воздух) через каналы в теле ротора. Чередование указанных зон при вращении профилированного ротора повышает эффективность работы двигателя.

Герметизация зон обеспечивается заслонками, в виде пластин, размещенных в пазах корпуса, с возможностью радиального перемещения при контакте с профилированной поверхностью ротора. Заслонка выполнена в виде пакета пластин, разделенных между собой пластинчатыми пружинами.

Однако, в камерах сгорания остаются невытесненные при вращении ротора горячие газы, которые загрязняют свежие порции топливной смеси. Подаваемый сжатый воздух в зону расширения тормозит движение ротора, что уменьшает КПД.

Сложность конструкции заслонок в которой каждая из пластин "задвигается" выступающими поверхностями ротора, может приводить к утечке рабочей среды через стыковки элементов пластин.

Поставленной технической задачей является повышение экономичности и КПД двигателя, путем улучшения смесеобразования топлива и повышения полноты сгорания.

Указанная техническая задача решена тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус и установленный в нем на валу ротор с профилированной поверхностью, образующей поршневые выступы, зоны охлаждения и расширения; каналы подачи топлива и охлаждающей среды и отвода отработанных газов, выполненные в теле ротора; контактирующие с профилированной поверхностью ротора заслонки, в виде пакета пластин, размещенные в пазах корпуса, с возможностью радиального перемещения, и свечи зажигания, согласно изобретению, в нем каналы впуска топлива и охлаждающей жидкости, размещенные в камере охлаждения, в теле поршневого выступа, снабжены регуляторами расхода, объединенными подпружиненным коромыслом с упором, а в стенке камеры охлаждения, в зоне регуляторов расхода, выполнены конусообразные пароотводы, объединенные каналом и сообщенные с зоной расширения, при этом на поверхности каждого поршневого выступа ротора в шахматном порядке размещены форсунки, с шагом, соответствующим 2-3 диаметрам форсунки, которые объединены общим каналом, соединенным с каналом подачи топлива, а на одной образующей линии поверхности поршневого выступа по обе стороны свечи зажигания, выполнены канавки, длиной, соответствующей 3-4 толщинам платины заслонки, имеющей П-образный паз, кромки пластин внутри которого выполнены с радиусной отбортовкой.

Положительный результат, полученный при реализации изобретения, заключается в уменьшении расхода топлива, токсичности выхлопных газов, в повышении КПД, что позволяет считать предложенное техническое решение соответствующим критерию изобретения: "промышленная применимость".

Проведенный автором поиск по патентным и научно-техническим источникам не выявил аналогов роторного двигателя, характеризуемых совокупностью признаков, идентичных по своим свойствам и полученному результату совокупности существенных признаков предложенного двигателя, что позволяет считать предложение заявителя соответствующим критерию изобретения: "изобретательский уровень".

При сравнении предложения заявителя с прототипом выявлено, что предложенный ротор отличается особенностями выполнения камеры охлаждения в теле поршневого выступа, регуляторами расхода на каналах подачи топлива и охлаждающей жидкости, соединенными подпружиненным коромыслом, выполнением пароотводов в стенке камеры, порядком расположения форсунок, камерами дожигания канавками около свечи зажигания, имеющими длину частичного перекрытия пластинами заслонки. Эти особенности предложенного устройства позволяют считать его соответствующим критерию изобретения: "новизна".

Суть изобретения заключается в том, что в теле поршневого выступа под наиболее термонапряженной поверхностью размещена камера охлаждения, через которую проходят каналы подачи топлива и охлаждающей среды воды, что предотвращает деформацию стенки ротора в зоне сгорания топлива. С интенсивным охлаждением стенки камеры охлаждения связана порциальная подача воды, для ее парообразования. Из пароотводов в зону расширения должен выходить только пар, который, смешиваясь с горячими газами, повышает давление в зоне поршневого выступа и кинетическую энергию для вращения ротора. Подача воды и топлива связана с режимом работы двигателя, преимущественно на установившемся режиме, когда давлением струи подаваемого топлива подпружиненное коромысло отжимается от соприкосновения упора со стенкой камеры и оба канала открыты с проходным сечением, связанным с регулятором расхода, а на холостом ходу и при остановке каналы почти полностью перекрыты. При увеличении скорости расходы топлива и воды увеличиваются.

Вода, омывая наиболее горячую стенку камеры под свечой зажигания, превращается в пар, который по условиям вращения ротора, собирается около топливного канала, где размещен сборный канал для пара, сообщенный пароотводами с конусообразными насадками с зоной расширения двигателя. Конусообразные насадки, т.е. сопла истечения пара, способствуют его расширению и смешению с горячими газами.

Топливный канал соединен с каналом-коллектором, который с помощью форсунок подает топливо в зону сжатия. Шахматный порядок размещения форсунок, с шагом между соседними форсунками, равным от 2 до 3 их диаметра, обеспечивает оптимальное смешение топлива с воздухом. Были опробованы варианты одной форсунки, одного их ряда, однако, происходило локальное воспламенение, и крайние форсунки в одном ряду не обеспечивали процесс воспламенения во всем объеме. Эффект частичного или неполного воспламенения при скоростной фотосъемке был зафиксирован при расстоянии между форсунками более 3 диаметров. Уменьшение зазора между форсунками до 1 диаметра вызывало слияние и конденсацию струй топлива, а не его лучшее распыление. Шахматное расположение форсунок обеспечивает непрерывность процесса при прохождении заслонки из двух пластин с радиусными отбортовками кромок над отверстиями форсунок. Отбортовка на кромке обеспечивает прижим ее к поверхности ротора, благодаря упругим силам, при этом отсутствует трение по острым кромкам, зазоры, утечка среды, проскоки огня и горячих газов. П-образный паз охватывает ротор по вертикальным плоскостям, а две пластины в нем с радиусными отбортовками в диаметрально-противоположные стороны, прижимаются к поверхности ротора, устойчиво, без изгиба в вертикальной плоскости.

Топливо, распыленное и смешанное с воздухом, находится в зоне сжатия по одну сторону заслонки, на место форсунок из-под заслонки при повороте ротора, трансформируется свеча зажигания. Она срабатывает и воспламеняет смесь в пусковой период работы двигателя. Роль запальных инициаторов далее играют канавки на одной образующей линии на поверхности поршневого выступа, в которых скапливаются горячие газы и шлаки. Помимо свечи накаливания, создающей температуру 800-1000^o, достаточную для воспламенения топливо-воздушной смеси, поверхность внутри канавок может иметь покрытие типа интерметалла (никель, на алюминиевой подножке) или в виде термитного пека окиси магния и железа. Такие элементы покрытия при нагреве подвергаются автокаталитическому разогреву, и надежно воспламеняют новые порции топлива.

Таким образом, предложенное устройство обеспечит более высокий КПД за счет быстрого и полного сгорания топлива и вторичного использования энергии разогретого пара. Вращательное движение ротора обеспечит мягкую работу двигателя. Равномерная и дозированная подача топлива обеспечит более высокие экономические характеристики. Компактность двигателя, упрощение систем питания, зажигания, охлаждения улучшают его эксплуатационные качества.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 общий вид двигателя и фиг. 2 вид двигателя в разрезе А-А, на фиг.3 устройство поршневого выступа ротора.

На фиг. 1 в корпусе 1 размещен ротор 2, с профилированной поверхностью, образующий поршневые выступы 3. В корпусе выполнены пазы 4 с размещенными в них заслонками 5, состоящими из пластин 6, с пружинами сжатия 7, прижимающими пластины к профилированной поверхности ротора. Внутри вала 8 и установленного на нем ротора, выполнены каналы для подачи топлива 9 и охлаждающей среды (воды) 10 воздуха 11 и выхлопных газов 12. Внутри корпуса, в местах контактирования заслонок с ротором при его вращении поочередно образуются камеры в зонах: "А" впуска, "Б" -сжатия, "В" сгорания, "Г" расширения, "Д" выпуска рабочей среды. В теле ротора каналы подачи топлива и охлаждающей среды направлены от вала к поверхности поршневого выступа. На фиг.2 в теле поршневого выступа выполнена камера охлаждения 13 с размещенными в ней каналами подачи топлива 8 и воды 10. Устья каналов закрыты ка калиброванными регуляторами расхода топлива и воды соответственно 14 и 15, которые соединены коромыслом 16 с пружиной сжатия 17 и упором 18. Канал, паровой коллектор 19 сообщен пароотводами 20 с конусообразными насадками 21, с зоной расширения. На поверхности поршневого выступа установлена свеча накаливания 22, и на одной образующей линии с ней, на поверхности поршневого выступа выполнены канавки 23, длина которых соответствует 3-4 величинам ширины пластины 6. Топливный канал 9 соединен с каналом-коллектором 24, который сообщен через форсунки 25 с зоной сжатия "Б". Форсунки расположены в шахматном порядке, при расстоянии между соседними форсунками, равном 2-3 ее диаметрам. Пластины в заслонке выполнены с П-образным пазом 26, и имеют внутри его радиусную отбортовку 27.

Работа устройства.

При вращении ротора 2 воздух нагнетается по каналам 11 в камеру впуска, образованную в зоне "А" заслонкой 5 между корпусом 1 и поверхностью ротора. При дальнейшем вращении ротора воздух сжимается в зоне "Б", производится впрыск топлива через форсунки, и в зоне "В" производится воспламенение свечой накаливания 22. Часть горячих газов и шлаков на разогретой поверхности канавок 23 проходит под отбортовкой пластин 6 и является инициатором воспламенения новых порций топлива. В зоне "Г" происходит рабочий ход расширение сгоревших газов, за счет увеличения объема камеры сгорания, которые заставляют вращаться ротор 2. При прохождении поршневого выступа через зону "Д" отработанные газы вытесняются боковой поверхностью поршневого выступа и выпускаются в атмосферу (см. фиг.1). В камеру охлаждения 13 по каналу 10 подается вода через клапан 15 регулятора расхода, нагреваясь, превращается в пар, охлаждая нагретую стенку поршневого выступа. Пар собирается в канал 19 и по пароотводам 20 через насадки 21 подается в зону расширения, смешивается с горячими газами, увеличивая их кинетическую энергию.

Использование: в транспортных средствах. Сущность изобретения: двигатель снабжен регуляторами 14 и 15 расхода, установленными в каналах 9 и 10 впуска топлива и охлаждающей жидкости соответственно, каналы 9 и 10 размещены в камере 13 охлаждения, в теле поршневого выступа, при этом регуляторы объединены подпружиненным коромыслом 16 с упором 18, а в стенке камеры 13 охлаждения, в зоне регуляторов расхода, выполнены конусообразные пароотводы 20, объединенные каналом и сообщенные с зоной расширения, при этом на поверхности каждого поршневого выступа ротора в шахматном порядке размещены форсунки 25, с шагом соответствующим 2-3 диаметром форсунки, которые объединены общим каналом, сообщенным с каналом подвода топлива, а на одной образующей линии поверхности поршневого выступа, по обе стороны свечи зажигания 22, выполнены канавки 23 длина которых равна 3-4 толщинам пластины 6 заслонки, имеющей П-образный паз 26. 3 ил.

Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус и установленный в нем на валу ротор, профилированной поверхностью образующий поршневые выступы, зоны охлаждения и расширения, каналы подачи топлива и охлаждающей среды и отвода отработанных газов, выполненные в теле ротора, контактирующие с профилированной поверхностью ротора заслонки в виде пакета пластин, размещенные в пазах корпуса с возможностью радиального перемещения, и свечи зажигания, отличающийся тем, что в нем каналы впуска топлива и охлаждающей жидкости, размещенные в камере охлаждения в теле поршневого выступа, снабжены регуляторами расхода, объединенными подпружиненным коромыслом с упором, а в стенке камеры охлаждения, в зоне регуляторов расхода, выполнены конусообразные пароотводы, объединенные каналом и сообщенные с зоной расширения, при этом на поверхности каждого поршневого выступа ротора, в шахматном порядке, размещены форсунки с шагом, соответствующим 2 3 диаметрам форсунки, которые объединены общим каналом, сообщенным с каналом подачи топлива, а на одной образующей линии поверхности поршневого выступа по обе стороны свечи зажигания выполнены канавки, длиной, соответствующей 3 4 толщинам пластины заслонки, имеющей П-образный паз, внутри которого кромки пластин, контактирующие с поверхностью ротора, выполнены с радиусной отбортовкой.