ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B53/08 

Изобретение относится к области силовых установок, работающих на горючих газах или продуктах сгорания, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия, с разделенным термодинамическим циклом, когда сжатие заряда и сгорание топлива происходят в импульсной камере постоянного объема, а расширение продуктов сгорания - в рабочих камерах расширительной машины. Оно может быть использовано, например, в легковых автомобилях, работающих на дизельном или альтернативных топливах, в условиях высокой частоты вращения.

Известны двигатели с раздельным термодинамическим циклом, например, по авт. св. СССР 828780. В этих двигателях компрессор и расширительная машина выполнены в виде поршневых машин, что делает силовую установку громоздкой и тяжелой.

Наиболее близким по количеству сходных признаков с заявленным устройством является двигатель, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, которые образуют камеры переменного объема, вал двигателя, впускной и выпускной тракты, устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя (патент 2264969, кл. F 02 B 53/00, 1975).

Недостатком известного ДВС является то, что он выполнен по традиционной схеме - с совмещенным термодинамическим циклом; это не позволяет полностью реализовать преимущества, которые предоставляет использование в ДВС различных типов машин - компрессора и расширительной машины и разделенного термодинамического цикла.

Задачей данного изобретения является улучшение термодинамического цикла ДВС за счет использования разных типов машин - компрессора для реализации циклов сжатия и расширительной машины для реализации циклов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, в результате чего повышаются мощностные, экономические и экологические показатели.

Мощность двигателя может быть существенно увеличена за счет увеличения массы воздуха поступающего в рабочую камеру из продувочной камеры расширительной машины. Изохорный процесс подвода теплоты к рабочему телу у двигателя, работающего на дизельном топливе, повысит индикаторный кпд и среднее индикаторное давление. Индикаторный кпд также будет увеличен за счет пленочного смесеобразования на испарителе топлива. Наличие воздуха в основной и разделенной камерах сгорания (так называемое расслоение заряда) обеспечит хорошее использование кислорода воздуха, при котором достигается бездымный выпуск при малом коэффициенте избытка воздуха и меньшей токсичности отработавших газов.

Для решения указанной задачи предлагаемый ДВС в дополнение к вышеперечисленным существенным признакам, сходным с признаками прототипа, снабжен роторно-поршневым компрессором с впускными золотниками, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема. Кроме того, двигатель снабжен роторно-поршневой расширительной машиной, ротор которой образует с внутренней полостью корпуса, по меньшей мере, одну рабочую (расширительную) и одну продувочную (нагнетательную) камеры переменного объема, при этом расширительная машина снабжена основными камерами сгорания, расположенными в корпусе последней, а разделенные камеры сгорания - в полостях золотников, причем ротор компрессора и ротор расширительной машины установлены на одном валу двигателя, с которым кинематически связаны валы золотников компрессора и камер сгорания. Кроме того, нагнетательная камера через обратный клапан, воздуховод и продувочный канал соединена с рабочей камерой, образуя агрегат продувки рабочей камеры, при этом продувочный и выпускной каналы перекрываются телом ротора. Кроме того, полые золотники разделенных камер сгорания снабжены испарителями топлива.

В частном случае реализации ДВС предлагается схема, в которой ротор компрессора образует с внутренней полостью корпуса две камеры переменного объема - камеры сжатия, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей, с двумя вершинами, а ротора - по эпитрохоиде, кроме того, ротор расширительной машины образует с внутренней полостью корпуса две рабочие и две продувочные камеры, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей с четырьмя вершинами, а ротор - по эпитрохоиде. Продувочный воздух поступает в рабочую камеру через каналы в торцевой крышке компрессора и в корпусе компрессора - продувочный канал, а испаритель топлива имеет форму внутренней поверхности топливного факела форсунки со штифтовым распылителем.

На фиг.1 изображен общий вид двигателя (вид со стороны компрессора).

На фиг.2 - разрез по 1-1.

На фиг.3 - вид со снятым компрессором.

На фиг.4 - вид со снятым компрессором, узел 1.

На фиг.5 - вид со снятой торцевой крышкой компрессора, узел 2.

На фиг.6, 7 - положение впускного золотника компрессора.

На фиг.8-13 - положение золотника разделенной камеры сгорания в процессе термодинамического цикла.

Двигатель состоит из компрессора и роторно-поршневой расширительной машины, см. фиг.1, 2, 3 и 4 (на фиг.1 компрессор условно не показан).

Расширительная машина содержит полый корпус 1, внутри которого расположен ротор 2, вращающийся на эксцентриковом валу 3 (вал съема мощности) с эксцентриком 4, и разделенную камеру сгорания с вращающимся золотником 5 с каналами 7, сдвинутыми друг относительно друга на 180^o. Расширительная машина снабжена основной камерой сгорания 8, соединенной с разделенной камерой сгорания каналом 10. Компрессор содержит полый корпус 11, внутри которого расположен ротор 12, вращающийся на эксцентрике 13 эксцентрикового вала 3. Впуск воздуха в компрессор производится через золотник 14, а подача воздушного заряда из камеры сжатия в разделенную камеру сгорания - через канал 15. Расширительная машина перекрыта торцевой крышкой 16, а компрессор - торцевой крышкой 17. Вал 18 золотника 7 снабжен испарителем 19, имеющим форму внутренней поверхности топливного факела форсунки со штифтовым распылителем. Воздух из продувочной камеры в рабочую камеру поступает через прямоточный, лепестковый обратный клапан 20, трубопровод 21 и каналы 22, 23, а также продувочный канал 24. Выпуск отработавших газов происходит через канал 25 и трубопровод 26. На фиг.3 показаны рабочая камера 27, продувочная камера 28.

На фиг. 2 подвижные и неподвижные шестерни компрессора и расширительной машины условно не показаны (показаны только места их установки). Последние аналогичны двигателю Ванкеля. У расширительной машины и у компрессора радиусы большой и малой шестерен, эксцентриситет и параметр формы - одинаковые. Проведенные расчеты показали, что в этом случае площадь камеры сжатия примерно в три раза больше, чем площадь рабочей камеры. Это позволяет уменьшить высоту камеры сжатия, соответственно, в три раза, см. фиг.2 и 5. Благодаря этому уменьшается масса ротора.

Контур рабочей полости расширительной машины образуется внешней огибающей с четырьмя вершинами, а контур ротора - эпитрохоидой. В результате этого ротор образует с рабочей полостью две рабочие и две нагнетательные (продувочные) камеры. Контур рабочей полости компрессора образуется внешней огибающей с двумя вершинами, а контур ротора - эпитрохоидой. В результате этого ротор образует с рабочей полостью две камеры сжатия.

На фиг. 3 штрихпунктирной линией показан контур рабочей полости компрессора, а также пунктирной линией - положение поршня ротора компрессора в в.м.т. - при максимальном объеме камеры сжатия.

Конструктивные параметры, приведенные выше, приводят к тому, что частота вращения эксцентрикового вала в 2 раза больше частоты вращения ротора компрессора и в 4 раза больше ротора расширительной машины.

Цепочная передача между эксцентриковым валом и золотниками 7 и 14 (на чертежах не показана) обеспечивает передаточное отношение 1:2.

Двигатель работает следующим образом.

За каждый оборот эксцентрикового вала ротор компрессора совершает пол оборота, что соответствует одному циклу - впуск и сжатие. На фиг.6 и 7 показано положение впускного золотника 14. На фиг.6 показано его положение в момент открытия, а на фиг.7 - в момент закрытия. Из этих фигур видно, что период открытия и закрытия золотника составляют 90^o, т.е. впуск воздуха и процесс его сжатия происходят через 90^o поворота ротора. На фиг.8 показано положение золотника 5 разделенной камеры сгорания в момент открытия канала 15, через который происходит перетекание сжатого воздушного заряда из камеры сжатия. В этот момент ротор компрессора находится в некотором положении, обеспечивающем подпорное давление, примерно 40^o поворота ротора от в.м.т., исключающее пропуск отработавших газов из разделенной камеры сгорания в камеру сжатия (в конце такта расширения в предыдущем цикле). На фиг.9 показан момент закрытия канала 14 (соответствует положению золотника на фиг.8). На фиг. 10 - положение золотника в момент закрытия канала 15. В этом положении золотника канал 14 закрыт и происходит впрыск топлива. Момент открытия этого канала наступает (фиг.11) через угол ϕ_см, который равен периоду задержки воспламенения - определяется экспериментально. Ротор расширительной машины в момент открытия канала 14 находится в в.м.т. или близко от нее (определяется положением эксцентрика 4). В результате этого обеспечивается изохорный процесс подвода теплоты к рабочему телу. После воспламенения топливно-воздушной смеси последняя под большим давлением поступает в основную камеру сгорания 8, в которой происходит сгорание топлива с последующим расширением продуктов сгорания в рабочей камере. На фиг.12 и 13 показано промежуточное положение золотника. В процессе впрыска топлива форсункой со штифтовым распылителем последнее растекается тонкой пленкой по испарителю 19, в результате чего происходит пленочное смесеобразование в камере сгорания.

В конце процесса расширения открывается сначала канал 25, перекрываемый ротором, и происходит свободный выпуск отработавших газов, а затем канал 24, через который в рабочую камеру поступает продувочный воздух из нагнетательной камеры, в результате чего происходит принудительный выпуск. При дальнейшем вращении ротора расширительной машины начинается сжатие поршнем ротора в основной камере сгорания 8 воздуха, оставшегося после продувки рабочей камеры. Процесс расширения и выпуска осуществляется в течении 90^o поворота ротора - по 45^o каждый (эксцентриковый вал поворачивается на 360^o).

Далее циклы повторяются. В следующем цикле перетекание воздушного заряда из камеры происходит через другой канал в золотнике, при повороте последнего на 180^o, в момент открытия канала 15.

Все процессы во второй рабочей камере сдвинуты на 180^o по отношению к рассмотренной.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания с разделенным циклом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения: двигатель содержит одну рабочую (расширительную) и одну продувочную (нагнетательную) камеры переменного объема с роторами, установленными на одном валу, и устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя. При этом расширительная машина снабжена основными камерами сгорания, расположенными в корпусе последней, а разделенные камеры сгорания - в полостях золотников. Нагнетательная камера через обратный клапан, воздуховод и продувочный канал соединена с рабочей камерой, образуя агрегат продувки рабочей камеры. При этом продувочный и выпускной каналы перекрываются телом ротора, а полые золотники разделенных камер сгорания снабжены испарителями топлива. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема, вал двигателя, впускной и выпускной тракты, устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя, отличающийся тем, что он снабжен роторно-поршневым компрессором с впускными клапанами или золотниками, содержащим полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема, кроме того, двигатель снабжен роторно-поршневой расширительной машиной, ротор которой образует с внутренней полостью корпуса по меньшей мере одну рабочую (расширительную) и одну продувочную (нагнетательную) камеры переменного объема, при этом расширительная машина снабжена основными камерами сгорания, расположенными в корпусе последней, а разделенные камеры сгорания - в полостях золотников, причем ротор компрессора и ротор расширительной машины установлены на одном валу двигателя, с которым кинематически связаны валы золотников компрессора и камер сгорания, кроме того, нагнетательная камера через обратный клапан, воздуховод и продувочный канал соединена с рабочей камерой, образуя агрегат продувки рабочей камеры, причем продувочный и выпускной каналы перекрываются телом ротора, кроме того, полые золотники разделенных камер сгорания снабжены испарителями топлива. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор компрессора образует с внутренней полостью корпуса две камеры переменного объема - камеры сжатия, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей с двумя вершинами, а ротора - по эпитрохоиде, кроме того, ротор расширительной машины образует с внутренней полостью корпуса две рабочие и две продувочные камеры, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей с четырьмя вершинами, а ротор - по эпитрохоиде. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что продувочный воздух поступает в рабочую камеру через каналы в торцевой крышке компрессора, в теле ротора компрессора и в корпусе компрессора - продувочный канал. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что испаритель топлива имеет форму внутренней поверхности топливного факела форсунки со штифтовым распылителем.