РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАРФИДОВА И СПОСОБ ПОДАЧИ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ В ЕГО КАМЕРУ СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B11/00 F02B53/08 F02B47/10 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателю и компрессоростроению.

Изобретение направлено на решение задачи создания экономичного, с высокой удельной мощностью и ресурсом двигателя внутреннего сгорания, с раздельной системой питания и с частично замкнутым рабочим циклом, т.е. экологически более чистого, работающего на разных видах топлива.

Из патентной литературы известна объемная роторная машина содержащая корпус с выполненной на его внутренней поверхности диагонально расположенной канавкой, с установленным в ней диском, с примыкающими к диску и к обоим сторонам корпуса конусами, вершины которых примыкают к сферической центральной части, с образованием первого и второго объектов, разделенных диском, в котором между сферической центральной частью и внутренней поверхностью корпуса установлена по меньшей мере одна лопатка в поворотном соединении, жестко связанная с конусами, в которых примыкающие к лопаткам выполнены впускные и выпускные окна (см. GB, заявка 1426162, кл. F 01 C 3/06, 1976 г.).

Недостатком данного технического решения является то, что конусы связаны между собой только посредством лопаток, которые тоньше диска и работают на скручивание, а т.к. они расположены между двух сфер, то при небольшой нагрузке их сразу заклинит в результате автоколебаний и скручивания.

Известна также объемная роторная машина, содержащая корпус с выполненной на его внутренней поверхности диагонально расположенной канавкой, с установленным в ней диском, с примыкающими к диску и к обоим сторонам корпуса конусами, вершины которых примыкают к сферической центральной части с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, в котором между сферической центральной частью и внутренней поверхностью корпуса установлена по меньшей мере одна лопатка в поворотном соединении, жестко связанная с конусами, в которых примыкающие к лопатке выполнены впускные и выпускные окна, причем сферическая центральная часть выполнена в форме шаровой опоры, жестко закрепленной в центральной части диска и сопряженной с выемками в конусах. А также внутри шаровой опоры выполнена шаровая камера с возможностью совместного вращения шаровой опоры в плоскости диска, а шаровой камеры в плоскости конусов, причем окна в шаровой опоре и в шаровой камере выполнены в зоне их совмещения. В качестве ДВС машина снабжена общим корпусом и дополнительным ротором шаровая камера которого сообщена посредством полой перемычки с выполненной в ней камерой сгорания с шаровой камерой первого ротора. (Патент Р.Ф. 2084640. 20.07.97 г. бюл N 20).

Недостатком данного технического решения является то, что вся нагрузка диска приходится на поворотные уплотнения и на лопатки, а плечо, равное радиусу поворотного уплотнения, слишком мало для поворота его трущейся поверхности в диске, что является причиной для быстрого износа и заклинивания лопаток в поворотных уплотнениях. Это решение принято за прототип.

Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков аналога и прототипа и создания экологически чистого двигателя с высокой удельной мощностью, высоким КПД и ресурсом.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение ресурса двигателя за счет переноса нагрузки дисков с поворотных уплотнений и лопаток на шаровые камеры, жестко связанные с конусами, а также высокие КПД и удельная мощность за счет высокой степени сжатия, высоких оборотов, большого крутящего момента и увеличения рабочего объема в 1,5 раза.

Возможности работы двигателя на любом виде жидкого или газообразного топлива по частично замкнутому рабочему циклу, за счет раздельного сжатия топлива и окислителя в компрессоре, сгорания топлива в горячей камере сгорания в присутствии катализатора и использование отработанных газов, охлажденных в радиаторе, в качестве рабочего тела для разбавления топлива и окислителя, что устраняет вакуумное торможение и препятствует образованию окислов азота.

Указанный технический результат достигается за счет того, что двигатель, содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса с примыкающими к корпусу, к рабочей поверхности сферы и диску конусами, вершины которых с выполненными в них выемками сопряжены с шаровой опорой, в которой расположены окна в зоне их совмещения с окнами в шаровой камере, выполненной внутри шаровой опоры, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой и с рабочей поверхностью сферы, между которыми установлены две лопатки в поворотных соединениях, жестко связанные с конусами, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, а в шаровой опоре на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешней стороне шаровой камеры параллельно лопаткам.

Технический результат достигается также тем, что примыкающие к конусам, жестко связанные с корпусом, выполнены от двух до четырех кулис с возможностью перекрытия окон в конусах до 90^o поворота роторов.

Технический результат достигается также способом подачи горючих смесей в камеру сгорания двигателя, по которому топливо и окислитель сжимают раздельно в первом и втором рабочих объемах компрессора и одновременно подают в камеру сгорания двигателя.

Указанный технический результат достигается также тем, что отработанные газы, охлажденные в радиаторе, в качестве рабочего тела добавляют в топливо и окислитель.

Заявленный роторный двигатель отличается от прототипа тем, что в шаровых опорах на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер параллельно лопаткам. Кроме того, двигатель отличается от прототипа тем, что примыкающие к конусам выполнены от двух до четырех кулис с возможностью перекрытия окон в конусах до 90^o поворота роторов, а также способом подачи горючих смесей в камеру сгорания двигателя, согласно которому топливо и окислитель сжимают раздельно, в первом рабочем объеме компрессора сжимают топливо, во втором объеме сжимают окислитель и одновременно подают в камеру сгорания двигателя. Также отличается от прототипа тем, что отработанные газы охлаждают в радиаторе и в качестве рабочего тела добавляют в топливо и окислитель.

Двигатель, содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, позволяет использовать один ротор в качестве компрессора (такты заполнения и сжатия), а второй в качестве рабочего ротора (рабочий ход и выпуск). Такое разделение функций роторов позволяет с меньшими механическими потерями и с большей эффективностью обеспечивать сжатие в холодном компрессоре, а рабочий ход - в горячем рабочем роторе, к тому же совмещение конца сжатия в объемах компрессора и начала рабочего хода в рабочем роторе позволяет использовать проточную горячую камеру сгорания с использованием катализатора для полноты сгорания топлива с повышением начальной температуры и давления газа, а горячий ротор с большим рабочим объемом, чем у компрессора, позволяет совершать работу до более низкого давления и температуры газа с меньшими тепловыми потерями. Каждый ротор, содержащий диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса, с примыкающими к корпусу, к рабочей поверхности сферы и к диску конусами позволяет посредством диагонально установленных дисков в корпусе обеспечить герметичное совмещение поверхностей дисков и конусов по линиям их смыкания, а также герметично совместить внешние окружности конусов с рабочими поверхностями сфер.

Вершины конусов с выполненными в них выемками сопряжены с шаровой опорой, в которой расположены окна в зоне их совмещения с окнами в шаровой камере, выполненной внутри шаровой опоры и жестко связанной с конусами, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, позволяет сопряжению выемок в конусах с шаровой опорой сохранять герметичность при вращении ротора, при котором шаровая опора и шаровая камера вращаются совместно в разных плоскостях, раздельно использовать объемы компрессора с одновременной подачей компонентов смеси в камеру сгорания, а зоны совмещения окон позволяют привести в соответствие работу двигателя с фазами газораспределения между компрессором и рабочим ротором. Диск, жестко связанный с шаровой опорой и с рабочей поверхностью сферы, между которыми установлены две лопатки в поворотных соединениях, жестко связанные с конусами, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, позволяет устранить все механические потери, связанные с вращением лопаток относительно внутренней поверхности корпуса, не допустить возникновения вибраций сбалансированностью и симметричным приложением сил, а также улучшить герметичность рабочих объемов двигателя. В шаровых опорах на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер, параллельно лопаткам позволяет увеличить ресурс двигателя за счет переноса механической нагрузки дисков с поворотных уплотнений и лопаток на шаровые камеры, жестко связанные с конусами, при помощи скользящих элементов установленных в канавки на шаровых камерах, к тому же за счет большего плеча скользящих элементов, чем радиус поворотных уплотнений, принудительно удерживать последние в плоскости лопаток. Примыкающие к конусам, жестко связанные с корпусом, выполнены от двух до четырех кулис с возможностью перекрытия окон в конусах до 90^o поворота роторов, что позволяет увеличить рабочий объем двигателя в 1,5 раза за счет перекрытия кулисами окон в конусах компрессора в момент набора максимального объема топлива и окислителя за 90^o до 0, т. е. до линий смыкания конусов с диском, и тем самым увеличить объемы заполнения и сжатия с 50% до 75% в каждом рабочем объеме компрессора, а в рабочем роторе продлить рабочий ход в каждом рабочем объеме с 180^o до 270^o.

Раздельное сжатие топлива и окислителя в объемах компрессора с одновременной подачей в камеру сгорания позволяет использовать горячую, проточную камеру сгорания с присутствием в ней катализатора для практически любого вида жидкого или газообразного топлива и очень бедных смесей, начиная, например, от уровня концентрации отработанных газов, которые нейтрализуют в дожигателях поршневых двигателей, причем при высокой степени сжатия не хуже, чем у дизелей. Отработанные газы, охлажденные в радиаторе и добавленные в качестве рабочего тела в топливо и окислитель, позволяют уменьшить объем выпускаемых отработанных газов в атмосфере на величину разбавления горючей смеси рабочим телом, устранить выброс окислов азота в атмосферу за счет замены избыточного количества кислорода в смеси с рабочим телом и на такой же объем уменьшить забор воздуха из атмосферы, а также не тратить энергию двигателя на вакуумное торможение при управлении карбюратором. Работа двигателя по полностью замкнутому циклу возможна при работе на водороде, с конденсацией излишков пара в радиаторе.

На фиг. 1 изображен роторный двигатель - продольный разрез.

На фиг. 2 - сечение А-А - поворотное уплотнение со скользящим элементом.

На фиг. 3 - сечение Б-Б - поворотное соединение диска с лопаткой.

На фиг. 4 - сечение В-В - компрессор, поперечный разрез.

На фиг. 5 - диаграмма фаз газораспределения двигателя.

Роторный двигатель содержит корпус 1 с выполненными в нем диагонально расположенными канавками 2 и 3, с установленными в них дисками 4 и 5, с закрепленными на них сферами 6 и 7, которые сопряжены своими рабочими поверхностями с внешними окружностями конусов 8, 9, 10 и 11, которые своими вершинами в роторах 12 и 13 сопряжены с шаровыми опорами 14 и 15 с расположенными внутри них шаровыми камерами 16 и 17, соединенными между собой полой перемычкой 18 с выполненной в ней камерой сгорания 19 с каталитической внутренней поверхностью и запальной спиралью 20. Камера сгорания сообщена окнами 21, 22, 23 и 24 в зоне их совмещения с окнами 25, 26, 27 и 28 в шаровой опоре 14, жестко закрепленной в диске 4. В шаровой камере 17 камера сгорания 19 сообщена окнами 29, 30, 31 и 32 в зоне их совмещения с окнами 33, 34, 35 и 36 в шаровой опоре 15. В дисках 4 и 5 установлены лопатки 37, 38, 39 и 40 в поворотных уплотнениях 41, 42, 43 и 44 с жестко закрепленными на их осях скользящими элементами 45, 46, 47 и 48 установленных в канавки 49, 50, 51 и 52, выполненных на внешних поверхностях шаровых камер 16 и 17. В конусах 8 и 9 примыкающие к лопаткам 37 и 38 выполнены впускные окна 53, 54, 55 и 56 ротора 12, а в конусах 10 и 11 примыкающие к лопаткам выполнены выпускные окна 57, 58, 59 и 60 ротора 13. В роторе 12 выполнен топливный коллектор 61 с дроссельной заслонкой 62 и заслонкой рабочего тела 63, сообщенными через окна 54 и 56 в конусе 8 с рабочим объемом 64, а также коллектор окислителя 65 с дроссельной заслонкой 66 и заслонкой рабочего тела 67, которые сообщены через окна 53 и 55 в конусе 9 с рабочим объемом 68. Заслонки рабочего тела 63 и 67 через радиатор 69 сообщены с коллекторами отработанных газов 70 и 71, в роторе 13, которые через окна 57 и 59 в конусе 11 сообщены с рабочим объемом 72 и через окна 58 и 60 в конусе 10, с рабочим объемом 73. В шаровой опоре 14 в окнах 25, 26, 27 и 28 выполнены клапаны 74, 75, 76 и 77, а примыкающие к конусам 8, 9, 10 и 11, жестко связанные с корпусом 1, выполнены кулисы 78, 79, 80 и 81.

Роторный двигатель работает следующим образом. При запуске двигателя и вращении роторов лопатки 37 и 38 ротора 12, проходя линии смыкания диска 4 с конусами 8 и 9 образуют объемы 64 и 68 и разряжение в них. Разрежение через окна 53 и 56 при закрытых заслонках 63 и 67 заполняет парами топлива или газом объем 64 и окислителем рабочий объем 68 компрессора, через один оборот оба объема заполняются, затем лопатки 37 и 38 за 180^o до линии смыкания диска 4 с конусами 8 и 9 начинают сжатие объемов 64 топлива и объема 68 окислителя и по мере приближения лопаток к линии смыкания и достижения необходимой степени сжатия окна 26 и 28 в шаровой опоре 14 совмещаются с окнами 22 и 23 в шаровой камере 16, при этом клапаны 75 и 77 открываются давлением газа и сжатое топливо из объема 64 и окислитель из объема 68 одновременно устремляются в камеру сгорания 19 и, если оно само не воспламеняется, то его воспламеняет запальная спираль 20, при этом окна 29 и 32 в шаровой камере 17 совмещены с окнами 33 и 36 в шаровой опоре 15 и высокое давление из камеры сгорания устремляется в образуемые объемы 72 и 73 в роторе 13 с началом рабочего хода в этих объемах, вместе с этим лопатки 37 и 38 в роторе 12 достигают линии смыкания и окна 26 и 28 в шаровой опоре 14 размыкаются с окнами 22 и 23 в шаровой камере 16, а клапаны 75 и 77 запирают паразитные объемы окон 26 и 28 в шаровой опоре 14, а в объемах 72 и 73 ротора 13 продолжается рабочий ход и, приближаясь к 180^o поворота ротора, окна 29 и 32 в шаровой камере 17 и окна 33 и 36 в шаровой опоре 15 размыкаются, а оставшееся небольшое давление в камере сгорания 19 запирается. Затем выпускные окна 57 и 60 в конусах 10 и 11 пересекают линию смыкания и отработанные газы из объемов 72 и 73 устремляются в эти окна, одновременно с этим в роторе 12 закончилось сжатие второй половины рабочего объема и окна 25 и 27 шаровой опоры 14 совмещаются с окнами 21 и 24 шаровой камеры 16, топливо из объема 64 и окислитель из объема 68 направляются в камеру сгорания 18 и сгорают в присутствии катализатора, устремляясь далее в окна 30 и 31 в шаровой камере 17 в совмещенные с ними окна 34 и 35 в шаровой опоре 15 с началом нового рабочего хода, вместе с которым окна 58 и 59 проходят линию смыкания и отработанный газ устремляется в выпускные коллекторы 70 и 71 в роторе 13, откуда он направляется в радиатор 69, а излишки - в атмосферу. В радиаторе 69 водяные пары, содержащиеся в отработанных газах, конденсируются и отводятся. Величина открытия заслонок 62, 66, 63 и 67 определяется режимами работы двигателя. После завершения второго рабочего хода все повторяется.

При использовании водорода в качестве топлива двигатель работает полностью по замкнутому циклу.

Изобретение относится к машиностроению а именно к двигателестроению и компрессоростроению. Двигатель включает в себя корпус с диагонально расположенными канавками, диски с закрепленными на них сферами, которые сопряжены с конусами, роторы, закрепленные в дисках шаровые опоры. Внутри опор расположены шаровые камеры, которые соединены полой перемычкой с камерой сгорания с запальной спиралью. В камере сгорания выполнены окна. В дисках установлены лопатки в поворотных уплотнениях со скользящими элементами в канавках на внешних поверхностях шаровых камер. В роторе 12 выполнен топливный коллектор 61 с заслонками 62 и 63, коллектор окислителя 65 с заслонками 66 и 67. радиатор 69 сообщен с коллекторами отработанных газов 70 и 71, которые сообщены с объемами 72 и 73. В шаровой опоре 14 выполнены клапаны. Кулисы жестко связаны с корпусом. Способ заключается в том, что топливо и окислитель сжимают раздельно в первом и во втором рабочих объемах компрессора и одновременно подают в камеру сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД, ресурс, удельную мощность. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель, содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса, с примыкающими к корпусу, к рабочей поверхности сферы и к диску конусами, вершины которых с выполненными в них выемками сопряжены с шаровой опорой, в которой расположены окна в зоне их совмещения с окнами в шаровой камере, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой и рабочей поверхностью сферы, между которыми установлены две лопатки в поворотных уплотнениях, жестко связанные с конусами, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, отличающийся тем, что в шаровых опорах на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер параллельно лопаткам. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что примыкающие к конусам, жестко связанные с корпусом, выполнены от двух до четырех кулис с возможностью перекрытия окон в конусах до 90^o поворота роторов. 3. Способ подачи горючих смесей в камеру сгорания двигателя, по которому горючую смесь подают в отдельный ротор двигателя в первый и во второй рабочие объемы ротора, предварительно сжимают и подают в камеру сгорания, отличающийся тем, что топливо и окислитель сжимают раздельно в первом и во втором рабочих объемах компрессора и одновременно подают в камеру сгорания. 4. Способ по п.3 отличающийся тем, что отработанные газы охлаждают в радиаторе и в качестве рабочего тела добавляют в топливо и окислитель.