СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к роторным двигателям типа а.с. СССР N 1017803 кл. F 02 B 53/00, 1983 и может быть использовано в качестве энергетической установки во всех видах транспорта, а также в стационарных силовых установках.

Известные способы работы двигателей внутреннего сгорания, работающие по принципу дизеля внутреннего смесеобразования или карбюрации внешнего смесеобразования не обеспечивают полного сгорания топлива, получения совершенной топливо-воздушной смеси, а также равномерного распределения топлива по цилиндрам у карбюраторных и по камере сгорания у дизелей, что делает оба способа экологически вредными и экономически невыгодными.

Общим для обоих способов является несовместимость улучшения одновременно экономической, мощности и экологической характеристик.

Известен роторный двигатель а.с СССР N 1457337, кл. F 02 B 55/00 1989, который состоит из двух корпусов, в каждом из которых вращаются цилиндрические роторы, эксцентрично к полости корпуса, валы которых соединены между собой шестеренками с равным передаточным числом. В каждом роторе имеется прямоугольный паз. В нем помещена свободно перемещающаяся прямоугольная пластина.

При вращении пластина прилегает к корпусу и делит внутреннюю полость на 2 объема. Один из роторов нагнетает топливо-воздушную смесь в камеру сгорания собственного двигателя, где получают рабочее тело. Оно давит на пластину, заставляя вращаться рабочий ротор. Обратной стороной пластины одновременно очищается рабочая полость от отработавших газов.

При работе двигателя пластина испытывает значительное давление на излом, может деформироваться и вывести двигатель из строя. Скольжение в роторе будет происходить при большом трении и приведет к быстрому износу ротора и пластины. КПД и экологичность та же, что и у поршневых двигателей.

Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля (Р.П.Д.), работающий по способу внешнего смесеобразования.

В Р. П.Д. впуск рабочего тела, сжатие, расширение и выпуск осуществляют при сложном планетарном движении ротора, в объеме, образованном двумя дугами окружностей ротора и корпуса. Ротор установлен на эксцентриковом валу мощности. При вращении эксцентрикового вала ротора совершает сложное движение, обуславливающее скольжение вершин ротора по двух и более эпитрохоидной поверхности корпуса.

В каждой вершине установлены уплотняющие радиальные пластины. Так как радиальные пластины при движении по эпитрохоиде испытывают положительные и отрицательные ускорения, то на некоторых они стремятся оторваться от поверхности скольжения. Нарушение уплотнения в какой-либо полости может вызвать прорыв горячих газов и воспламенение свежего заряда в соседней полости.

Из-за непрерывного изменения наклона плоскости относительно эпитрохоидной поверхности трущуюся поверхность уплотняющих пластин делают цилиндрической, следовательно, контакт поверхности пластины с эпитрохоидной поверхностью происходит по линии, что обуславливает большие контактные удельные нагрузки. Поэтому поверхности уплотнения и корпуса быстро изнашиваются и моторесурс роторно-поршневого двигателя меньше моторесурса обычного поршневого двигателя. При износе уплотнений выходит из строя весь двигатель.

Выпускные газы Р. П.Д. содержат большее количество токсических составляющих, чем газы поршневых бензиновых двигателей.

Удельный расход топлива в роторно-поршневых двигателях несколько выше, чем у современных поршневых двигателей и составляет примерно 310-370 г/кВт/ч.

Характеристика прототипа. Известен роторный двигатель а.с. N 10178034, кл. F 02 B 53/00, в котором термодинамический цикл: наполнение (наддув), сжатие, сгорание, расширение (рабочий ход), осуществляют в замкнутых объемах последовательно соединяемых друг с другом и отсекаемых один от другого в процессе осуществления цикла. Двигатель состоит из корпуса с профилированной рабочей поверхностью, торцовых крышек, цилиндрического ротора, установленного на центральном валу и снабженного качающими поршнями, контактирующими с профилирующей рабочей поверхностью корпуса и образующими надпоршневые и подпоршневые объемы, системы газообмена, выполненной в виде впускных и выпускных окон и свечи зажигания, каждый поршень снабжен камерой сгорания и перепускным каналом с обратным клапаном, сообщающим камеру сгорания с подпоршневым объемом, а впускные окна и отверстия под свечи зажигания выполнены в торцевой крышке с возможностью сообщения окон с подпоршневыми объемами, а свечей с камерой сгорания.

Двигатель работает таким образом, что при одном полном качании поршня происходит полный термодинамический цикл, причем все поршни работают одновременно и синхронно, а количество рабочих циклов равно квадрату числа поршней. Способ образования топливовоздушной смеси внешний. Основными недостатками данного способа и двигателя являются наличие перепускных клапанов от обратного клапана в камеру сгорания и воспламенение смеси от свечи зажигания. Перепускные каналы создают сложную конфигурацию камеры сгорания и повышенную площадь теплоотдачи в стенки.

Воспламенение от свечи создает диффузное распространение пламени, а сложная конфигурация камеры сгорания при этом не дает полного сгорания смеси со всеми вытекающими недостатками так же как у карбюраторного ДВС.

Оба эти положения снижают экономичность двигателя и не понижают наличие токсических веществ в выхлопных газах. Недостатком является также наличие способа воспламенения от свечи зажигания, требующее электрооборудования и точной регулировки его работы. При большой частоте вращения возможны пропуски воспламенения смеси, что приведет к потерям топлива.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение КПД и снижение уровня токсических веществ в выпускных газах, увеличение ресурса. Данный результат достигается тем, что в известном способе внешнего смесеобразования и последующего сжатия в подвижной камере сжатия, а затем сгорания создают топливовоздушную смесь близкую к совершенной.

Это достигается тем, что топливо вводят в винтовихревой поток воздуха посредством распыливающего карбюратора или распыливающей форсунки строго дозировано по составу смеси непосредственно перед впуском в камеру сжатия, а также многократного ее перемешивания и нагрева в процессе сжатия и перепуска из камеры сжатия в камеру сгорания.

Смесь впускают в камеру сжатия через смеситель, создающий турбулентный поток. Сжатие производят в камере сжатия (в подпоршневом объеме). В этом процессе сжатия происходит нагрев и испарение капель топлива. Температуру стенок камеры поддерживают выше точки испарения и ниже точки воспламенения посредством терморегуляции. Процесс сжатия способствует перемешивают и прогреву смеси.

В процессе перепуска перемешивание происходит в трех случаях: a) в процессе вытеснения смеси из камеры сжатия в камеру сгорания при обтекании перепускного клапана; б) в камеру сгорания смесь подается под давлением сжатия тангенциально к стенкам, завихряется и перемешивается на встречных и пересекающихся потоках; в) завихрение производят в среде отработавших газов при давлении и температуре выпуска, это создает трение между газовыми слоями, их дальнейшее перемешивание и активацию топлива. Такое перемешивание позволяет использовать коэффициент избытка воздуха больше единицы α>1 >1. В результате всех этих операций и температурного воздействия в процессе сжатия топливовоздушная смесь становится близкой к совершенной. Тем самым ликвидируется неравномерное распределение топлива по камере сгорания, присущее дизелям, и неравномерность распределения по цилиндрам как по коэффициенту избытка, так и по фракционному составу, присущее карбюраторным двигателям.

Целью достигается и тем, что воспламенение производят от тепла отработавших газов, оставшихся в камере сгорания после расширения и газов и нагрева от стенок камеры сгорания т.е. совершения рабочего хода.

Поскольку температура остаточных газов и стенок превышает температуру воспламенения горючей смеси, то происходит термическая активация топлива и оно воспламеняется практически одновременно по всему объему т.е. сгорание носит объемный характер. Цель достигается и тем, что сгорание производят в камере сгорания, поверхность которой имеет наименьшую величину по отношению к объему.

Существенное, принципиальное отличие способа заключается и в том, что сгорание осуществляется в камере постоянного объема, выполненной в виде двух тел вращения, сочлененных между собой, с одним перепускным клапаном и двумя выходными отверстиями.

Камера сгорания изготавливается с применением термостойких материалов т. е. многослойной (керамика, керметы, карбиды), с терморегуляцией стенок камеры.

Существенным отличием способа является использование продолженного расширения в замкнутом объеме.

По величине замкнутая камера расширения выполняется из расчетов эффективного и полного использования давления, основного рабочего параметра поршневых ДВС. При расширении газы из камеры сгорания в камеру расширения выпускаются через отверстие, выполненное в виде сопла Лаваля, тем самым создаются дополнительные усилия и увеличивается крутящий момент. Поток газов после выхода из сопла Лаваля направляется тангенциально к поверхности корпуса, что создает завихрение газов и их перемешивание. При избытке кислорода это гарантирует полное сгорание топлива. В дальнейшем происходит разрушение вихрей и их кинетическая энергия переходит в потенциальную.

Поверхности, омываемые рабочими газами выполняются с применением антифрикционных и термоизолирующих материалов. Стенки могут быть многослойными. Такая организация рабочего хода позволяет осуществить его с низким показателем политропы расширения n₂ т.е. с наименьшими потерями через стенки камеры расширения и тем самым увеличить КПД. Таким образом, фактически впервые в практике ДВС осуществляют объемное воспламенение и сгорание топлива в камере постоянного объема, что является принципиально новым. Избыток кислорода, совершенная топливовоздушная смесь и комбинированный способ воспламенения от среды отработавших газов и от стенок камеры сгорания при турбулентном движении газов создают условия быстрого и полного сгорания топлива, в результате этого ликвидируются токсические вещества: оксид углерода, углеводороды, альдегиды, сажа, пирен, бензпирен, которые являются следствием недогорания. Это улучшает экологичность двигателя и увеличивает КПД.

Предполагаемый способ значительно снизит образование оксидов азота. Применение избытка воздуха в пределах α≅ 2 позволяет иметь температуру сгорания до 2000 К, которая лежит ниже температуры активного образования оксидов азота.

Терморегуляцию камер сжатия, сгорания, расширения осуществляют охлаждением. Ротор и поршни охлаждают жидкостью, а корпус и крышки можно охлаждать как жидкостью, так и воздухом, либо их комбинацией. Для поддержания заданной температуры стенки камер снабжены датчиками температуры, а каналы подачи охлаждающего агента регуляторами его расхода.

Армирование трущихся поверхностей углеграфитами, боросилициловым графитом и другими антифрикционными материалами позволяет отказаться от органической смазки ротора и его деталей и, тем самым, ликвидировать выброс картерных газов, что в свою очередь улучшает экологичность двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид двигателя.

Двигатель содержит корпус 1 с профилированной рабочей поверхностью цилиндрический ротор 2, установленный на центральном валу 3 и снабженный качающими поршнями 4, в которых расположены камеры сгорания 5 с подпружиненными обратными клапанами 6, разделяющими подпоршневой объем (камеру сжатия) 7 и камеру сгорания 5. Торцевые крышки 8 снабжены впускными отверстиями 9, в них установлены винтовихревые диффузоры 10, выпускные отверстия 11, расположенные в крышке 8 и сообщающиеся с надпоршневыми объемами 12. Поршни 4 установлены на осях 13 и подпружинены пружинами 14. Поршни и выходные отверстия камер сгорания имеют уплотнения 15. Вал 8, ротор 2 и поршни 4 имеют каналы 16, а корпус 1 снабжен каналами 17 для охлаждающей жидкости и уплотнением 18. Поршень 4 имеет цилиндрическую выемку 19, камера сгорания 5, камера сжатия 7 (подпоршневой объем) и камеры расширения 12 (надпоршневой объем) снабжены датчиками температуры 20, а канал 16 вала 3 и канал 16 поршня 4 имеют регуляторы расхода охлаждающего агента 21.

Двигатель работает следующим образом. При вращении ротора 2 поршни 4 под действием пружин 14 и центробежных сил скользят верхними гранями по рабочим поверхностям корпуса 1, совершая качательные движения между двумя крайними положениями, полностью выдвинутыми и полностью убранными в тело ротора. В положении поршней полностью выдвинутым из впускного отверстия 9 в камеру сжатия 7 (подпоршневой объем) поступает топливовоздушная смесь, при этом диффузором 10 создают винтовихревое турбулентное движение смеси, механически ее перемешивая. Смесь в камеру сжатия 7 поступает перпендикулярно вращению ротора, ударяясь о стенки камеры сжатия 7 перемешивается и, под воздействием температуры стенок и сжатия, топливо испаряется. При дальнейшем движении ротора 2 перекрываются впускные отверстия 9 и смесь сжимается.

Прежде чем будет достигнута степень сжатия, выпускное отверстие камеры сгорания 5 перекрывается и, тем самым, отсекается часть отработавших газов в камере сгорания 5 при температуре и давлении конца расширения. При достижении определенной степени сжатия от давления открывается перепускной клапан 6 и топливовоздушная смесь при температуре и давлении конца сжатия перемещается в камеру сгорания 5, перемешиваясь на встречных и пересекающихся потоках с оставшимися в камере сгорания после совершения рабочего хода отработавшими газами. От теплоты отработавших газов и от внутренней поверхности камеры сгорания 5 смесь воспламеняется и сгорает. При выдвижении поршней 4 камеры сгорания 5 через выпускные отверстия сообщаются с надпоршневыми объемами 12 и образуют камеру расширения. Рабочая смесь, расширяясь, давит на поршень. Давление передается ротору и производится полезная работа т.е. рабочий ход. Сжатие топливовоздушной смеси осуществляют посредством сжатия фронтальной стороной поршня 4 отработавших газов, в процессе их выпуска через отв.11.

Фронтальная сторона поршня, снабженная цилиндрической выемкой 19, отсекает часть отработавших газов и, в процессе вращения ротора, сжимает их, тем самым создает давление на фронтальную сторону, нейтрализуя давление грани поршня при сжатии топливо-воздушной смеси, а возникающее при этом избыточное давление газов перепускается в надпоршневой объем-камеру расширения 12 и в отработавшие газы, осуществляя за одно качание поршня 4 полный цикл работы.

Тем самым работа, затрачиваемая на трение грани поршня, при сжатии смеси будет минимальной. Это уменьшает механические потери на трение. Контроль температуры топливовоздушной смеси при сжатии, сгорании и расширении осуществляют системой датчиков температуры 20 и регуляторами расхода охлаждающего агента 21, связанными с датчиками температуры 20, а циркуляцию производят принудительным способом, также связанным с датчиками температуры, что позволяет поддерживать тепловой режим работы двигателя в заданных параметрах.

Запуск холодного двигателя осуществляют предварительным прогревом воздуха перед впуском и неоднократным его сжатием без подачи топлива. При этом температура сжатия в камере сжатия 7 будет близка к точке воспламенения, а в камере сгорания 5 выше точки воспламенения. Многократное прокручивание ротора 2 обогревает стенки камеры сжатия 7 и камеры сгорания 5 и обеспечивает первую вспышку топлива.

Работу на холостом ходу осуществляют меньшей подачей смеси в камеру сжатия 7. Поскольку перепускной клапан 6 открывается при определенном одинаковом давлении, то степень сжатия в ней будет переменной, а давление и температура в камере сжатия 7 одинаковым.

Воспламенение от остаточных газов в камере сгорания 5 может довести вновь поступающую в нее смесь до нижнего предела воспламенения, поэтому давление и температура сгорания будут снижены при обеспечении полноты сгорания.

Это имеет существенное значение в работе двигателя на переменных режимах, что очень важно с экологической стороны в городских условиях с частыми остановками. На остановках перед светофором двигатель может вообще не работать, поскольку запуск прогретого двигателя не представляет затруднений в силу того, что термоизоляция камеры сгорания 5 продолжительное время сохраняет температуру. Это экономит топливо и ликвидирует "задымление" на остановках. Тем самым решается экологическая проблема городского транспорта.

Предлагается двигатель с предварительной промежуточной переменной степенью сжатия, что играет существенную роль в процессе получения совершенной топливовоздушной смеси.

Двигатель "всеяден" в качестве топлива может служить любое вещество способное к распылению и при химическом соединении с кислородом воздуха вырабатывающее тепловую энергию и не имеющее твердых отходов.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: способ работы роторного двигателя заключается в использовании продолжительного расширения в замкнутом объеме, в результате чего снижается образование оксидов азота. Применение избытка воздуха в пределах α≅ 2 позволяет иметь температуру сгорания до 2000 К, которая лежит ниже температуры активного образования оксидов азота. Устройство, реализующее способ работы двигателя, содержит корпус 1 с профилированной рабочей поверхностью, цилиндрический ротор 2, установленный на центральном валу 3 и снабженный качающимися поршнями 4, в которых расположены камеры сгорания 5 с подпружиненными обратными клапанами 6, разделяющими подпоршневой объем и камеру сгорания 5. Вал 8, ротор 2 и поршни 4 имеют каналы 16, а корпус 1 снабжен каналами 17 для охлаждающей жидкости. Поршень 4 имеет цилиндрическую выемку 19, камера сгорания 5, камера сжатия 7 и камеры расширения 12 снабжены датчиками температуры 20, а канал 16, канал 3 и канал 16 поршня 4 имеют регуляторы расхода охлаждающего агента 21. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания, включающий термодинамический цикл с всасыванием, сжатием, воспламенением, сгоранием, расширением и выпуском, протекающими в замкнутых изменяемых и периодически последовательно соединяемых и разъединяемых объемах, отличающийся тем, что совершенную топливно-воздушную смесь получают путем многократного перемешивания и подогрева ее в процессе впуска и сжатия, а также в процессе перепуска из камеры сжатия в камеру сгорания путем закручивания разнонаправленных встречных и пересекающихся потоков, воспламенение осуществляют путем одновременного нагрева от тепла оставшихся в камере сгорания отработавших газов и стенок камеры сгорания, а полное сгорание производят в камере сгорания при постоянном объеме и при разнонаправленном вращении потоков, а расширение выполняют завихряющимися потоками с последующим разрушением вихрей и переходом их кинетической энергии в потенциальную и продолженным, выпуск выполняют неполным и часть отработавших газов сжимают, дросселируют при сжатии и перепускают в рабочий объем двигателя. 2. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с газообменными каналами, полостью, имеющей цилиндрическую рабочую поверхность, и торцевыми крышками с впускными и выпускными отверстиями, цилиндрический ротор, установленный на валу, имеющий секторные выемки и установленные в них и сопряженные с ними качающиеся поршни, оси качания которых параллельны оси вращения ротора и в каждом из которых выполнена камера сгорания с газораспределительными каналами, причем каждый поршень выполнен с возможностью постоянного контакта с рабочей поверхностью и полного открытия и перекрытия выпускного канала камеры сгорания и периодического сообщения с надпоршневым объемом и выпускным каналом, а впускной канал имеет обратный клапан и выполнен с возможностью периодического сообщения с подпоршневым объемом и впускным каналом корпуса, отличающийся тем, что впускное отверстие торцевой крышки снабжено завихряющим устройством, расположенным в плоскости, параллельной плоскости вращения ротора на боковой крышке корпуса, камера сгорания выполнена в виде двух сочлененных симметричных тел вращения, каждое из которых имеет выходное отверстие на цилиндрической поверхности поршня и дополнительную систему регулирования температуры в ней, обратный клапан расположен по плоскости симметрии тел вращения и подпружинен с возможностью открытия его в камеру сгорания, входной канал после обратного клапана выполнен раздваивающимся и симметричным указанной плоскости симметрии, а каждая его часть выполнена тангенциальной к поверхности соответствующего тела вращения, при этом выходной канал каждого тела вращения выполнен в виде сопла Лаваля, а плоскость симметрии камеры сгорания перпендикулярна к оси вращения ротора, причем каждый поршень на внешней его стороне имеет цилиндрическую выемку. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что система регулирования температуры камеры сгорания выполнена в виде системы регулируемых каналов охлаждения, окружающих тела вращения. 4. Двигатель по пп. 2 и З, отличающийся тем, что система регулирования температуры имеет регулятор расхода охлаждающего агента, связанный с датчиком температуры поверхности камеры сгорания, установленный в одном из каналов системы регулируемых каналов охлаждения, а входной и выходной каналы охлаждения камеры сгорания через каналы ротора и статора связаны с системой охлаждения двигателя, имеющей средства принудительной циркуляции охлаждающего агента.