РОТОРНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ "РОВЛАН" Российский патент 2004 года по МПК F01L7/02 

Изобретение относится к устройствам газораспределения, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания, и может быть использовано в конструкциях двигателей с внешним и внутренним смесеобразованием, с двухтактным и четырехтактным циклом работы, работающих на жидком или газообразном топливе, а также с различным количеством цилиндров.

Золотниковые механизмы газораспределения известны. При их использовании можно обеспечить большие проходные сечения для газов, уменьшить уровень шума, динамические нагрузки на детали привода и значительно упростить конструкцию по сравнению с клапанным механизмом газораспределения, кроме того, они обеспечивают возможность работы при большой частоте вращения (Двигатели внутреннего сгорания/Алексеев и др. М.: Машиностроение, 1990, с.81).

Наиболее близким аналогом заявленного является роторный механизм газораспределения, содержащий головку с впускным и выпускным газопроводящими трактами, образованными впускными и выпускными окнами и каналами головки, и цилиндрический ротор с поперечными впускными и выпускными пазами (Патент США №4989576, кл. F 01 L 7/00, 1991 г. - прототип).

Основным недостатком известных роторных газораспределительных механизмов и прототипа является отрицательное влияние их пазов (каналов) на процессы работы двигателя при тактах сжатия, впуска и рабочего хода. Так, впускные пазы ротора, сообщаясь с полостями цилиндра при тактах сжатия, после прохождения впускных окон захватывают часть рабочей смеси, находящейся под избыточным давлением, и переносят ее в зону впускных каналов, которая, при сообщении их с последними, выбрасывается навстречу поступающему по впускным каналам свежему заряду, тормозя его скорость, что снижает эффективность наполнения цилиндров и соответственно КПД двигателя в целом. Выпускные пазы также, при сообщении в последней стадии рабочего хода с выпускными окнами, снижают импульс давления рабочих газов на поршни, что также снижает КПД двигателя.

Технической задачей изобретения является исключение этого недостатка и повышение КПД двигателя.

Решение поставленной задачи достигнуто тем, что головка снабжена перепускными каналами, обеспечивающими перепуск заряда топливовоздушной смеси из впускных пазов на впуск в другие цилиндры, или ввод его через выпускные пазы для дожигания, или введение через них парообразующей или горючей присадки.

Так, для обеспечения избирательного перепуска в многоцилиндровом двигателе головка цилиндров снабжена перепускными каналами, входы которых расположены на поверхностях головки, описываемых при вращении впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены во впускных каналах в зонах, примыкающих к впускным окнам, при этом в четырехтактном двигателе каналы сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и впуска, а в двухтактном двигателе сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и впуска-выпуска.

Кроме того, с целью создания в течение рабочего хода дополнительного импульса давления за счет возвращения в цилиндр и сжигания части заряда горючей смеси, поступившей во впускной паз при такте сжатия, головка в многоцилиндровом двигателе снабжена перепускными каналами, входы которых расположены на поверхностях, описываемых впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены на поверхностях, описываемых выпускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины выпускного паза за выпускными окнами, при этом в четырехтактном двигателе каналы сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и сжатия, а в двухтактном двигателе сообщают между собой цилиндры, в которых фазы газораспределения сдвинуты на 90°.

Кроме того, с целью повышения эффективности использования теплоты сгорания рабочих газов и создания дополнительного импульса давления после сжигания основного заряда за счет ввода в цилиндр и сжигания дополнительного заряда горючей смеси, выход перепускного канала в головке по меньшей мере одноцилиндрового двигателя расположен на поверхности головки, описываемой выпускным пазом ротора на расстоянии не менее окружной длины выпускного паза за выпускным каналом головки, а вход соединен с устройством подачи парообразующей или горючей присадки.

Кроме того, с целью обеспечения одновременного наддува цилиндров головка многоцилиндрового двигателя может быть снабжена перепускными каналами, входы которых расположены на поверхностях, описываемых впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены во впускных каналах в зонах, примыкающих к впускным окнам головки, при этом все входы и выходы каналов сообщаются между собой непосредственно или через ресивер.

Уплотнитель ротора может быть выполнен в виде герметичной подвижной перегородки, отделяющей поверхность головки от полости цилиндра, при этом на перегородке со стороны головки выполнены два фигурных сквозных выступа, входящие в соответствующие им по наружному контуру впускное и выпускное окна головки, а их торцевые поверхности выполнены идентичными цилиндрической поверхностью ротора, при этом на перегородке выполнен также сквозной резьбовой канал для соединения с форсункой или свечой зажигания.

На фиг.1 изображен общий вид сверху с частичным ступенчатым разрезом четырехтактного четырехцилиндрового двигателя с порядком работы 1-3-4-2; на фиг.2 - ступенчатый разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - ступенчатый разрез двухтактного двигателя; на фиг.4 - общий вид ротора; на фиг.5, 6 - варианты уплотнений ротора в головке.

Двигатель с роторным механизмом газораспределения содержит цилиндр 1 (фиг.3) с поршнем 2, головку цилиндра 3, в который выполнены впускной канал 4, впускное окно 5, выпускное окно 6 и выпускной канал 7.

В осевом канале головки установлен ротор 8, в котором выполнены впускной 9 и выпускной 10 пазы.

На поверхности ротора 8, установленного в головке на подшипниках, между пазами 9, 10 выполнены кольцевые канавки 11, в которых установлены кольцевые уплотнители 12 (фиг.4).

В головке 3 на стенке осевого канала выполнены продольные канавки 13, в которых установлены продольные уплотнители 14, подпружиненные пружиной 15 (фиг.5).

Головка может быть также снабжена уплотнителем 16 (фиг.3, 6) в виде герметичной перегородки с впускным 17 и выпускным 18 выступами, выполненными заодно с прокладкой головки блока с элементом упругой подвижности, например, сильфоном 19. В головке выполнен резьбовой канал 20 для соединения с форсункой 24 (фиг.3).

Головка может быть снабжена перепускными каналами 21, 22 (частично изображены на фиг.1) для перепуска, или каналами 23 для ввода в цилиндры горючей или парообразующей присадки (фиг.2), или каналами 25 для перепуска и дожигания заряда рабочей смеси из впускного паза через выпускной.

Четырехтактный двигатель с роторным механизмом газораспределения работает функционально аналогично двигателю с клапанным механизмом газораспределения.

Так, при вращении ротора 8 его впускные 9 и выпускные пазы 10 периодически через впускное 5 и выпускное 6 окна головки сообщают полости цилиндров с впускными 4 и выпускными каналами 7.

В двухтактном двигателе роторный механизм газораспределения также содержит впускные пазы 9 (фиг.3) и выпускные пазы 10, которые через окна головки сообщают полости цилиндров с впускными 4 и выпускными 7 каналами головки и обеспечивают при движении поршня у НМТ выпуск, продувку и впуск, эквивалентные петлевой или кривошипно-камерной схеме газообмена.

Взаимное расположение окон и каналов головки и пазов ротора и их размеры и длина обеспечивает требуемую длительность фаз, их перекрытие и тактность работы двигателя, а также выполнение дополнительных функций.

В отличие от известных роторных механизмов, выполняющих только функцию клапанов, пазы роторного механизма по данному изобретению не только выполняют функцию клапанов, но и, перепуская заряд или вводя в цилиндр присадку, повышают эффективность рабочих процессов, протекающих в цилиндрах и КПД двигателя в целом.

Так, впускной паз в первой половине такта сжатия сообщается с полостью цилиндра и после прохождения кромки впускного окна головки отсекает от полости часть заряда, находящуюся под избыточным давлением, которое определяется окружной длиной впускного окна головки и длиной впускного паза ротора.

При следующем такте впуска заряд паза выбрасывается в зону впускного окна другого цилиндра, повышая величину давления относительно давления при первом сжатии. Затем, при последующих оборотах, процесс повышения давления продолжается и, достигнув максимального, прекращается.

Перепуская заряды впускных пазов в другие цилиндры, можно обеспечить избирательный или общий наддув с эффектом эжекции впускных газов, поступающих по впускным каналам головки, перепуская заряды впускных пазов в выпускные пазы и сжигая их во второй половине рабочего хода после срабатывания основного заряда, создать дополнительный импульс силы на поршень, а подавая через выпускной паз в цилиндр горючую или парообразующую присадку, также можно создать дополнительный силовой импульс на поршень, улучшив использование рабочего объема цилиндра и теплоты рабочих газов.

Работа роторных механизмов с различными вариантами перепускных каналов и с каналом для ввода присадки поясняется графическими материалами фиг.1, 2, 3.

Ротор газораспределительного механизма может содержать два впускных и два выпускных паза на один цилиндр, при этом передаточное отношение привода ротора уменьшается в 2 раза, а пазы ротора смещаются относительно друг друга с учетом обеспечения требуемой длительности фаз, их чередования и перекрытия.

Продолжительность фаз газораспределения определяется размерами пазов ротора в окружном направлении, а суммарная окружная длина окон головки и расстояние между задней кромкой выпускного паза и передней кромкой впускного паза определяют величину перекрытия фаз.

В головке может быть установлено два ротора, один из которых снабжен только впускными пазами (впускной ротор), а другой - только выпускными пазами (выпускной), при этом обеспечивается уменьшение габаритов головки.

Перепускные каналы могут быть выполнены непосредственно в теле головки или с использованием трубопроводов.

Впускной паз ротора целесообразно выполнять с симметричным сегментообразным сечением вдоль его оси и с радиусным дном, а выпускной паз - с передней стенкой, имеющей профиль лопатки турбины, и также с радиусным дном, что обеспечит создание вращательного момента за счет усилия выпускаемых отработавших газов для привода ротора.

Варианты уплотнителей могут использоваться в роторном механизме как по отдельности, так и совместно.

Перепускные каналы обеспечивают не только повышение литровой мощности и КПД, но и расширение функциональных возможностей механизма, направленных на дальнейшее повышение литровой мощности и КПД.

Так, в предложенном роторном механизме вращение ротора обеспечивается выхлопными газами, обеспечивается избирательный или общий автоматический наддув цилиндров свежим зарядом или сжигание в два этапа заряда, поступившего в цилиндр, или сжигание в процессе рабочего хода дополнительного заряда топлива, находящегося во впускном пазе ротора, или введение в процессе рабочего хода парообразующей присадки с целью охлаждения ротора и более полного использования теплоты сгорания.

Использование предложенного роторного многофункционального механизма газораспределения в двигателях внутреннего сгорания позволит достичь более высоких показателей их работы в сравнении с двигателями, оборудованными известными роторными механизмами газораспределения.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить топливную экономичность двигателя внутреннего сгорания. Роторный механизм газораспределения содержит головку цилиндра с впускными и выпускными окнами и каналами и цилиндрический ротор с поперечными сегментообразными впускными и выпускными пазами. В головке выполнены перепускные каналы в различных вариантах исполнения, обеспечивающие перепуск заряда топливовоздушной смеси из впускных пазов на впуск в другие цилиндры, или ввод его через выпускные пазы для дожигания, или введение через них парообразующей или горючей присадки. Уплотнитель ротора и головки выполнен в виде герметичной подвижной перегородки, отделяющей поверхность головки от полости цилиндра, на которой со стороны головки выполнены два фигурных сквозных выступа, входящие в соответствующие им по наружному контуру впускное и выпускное окна головки, а торцевые поверхности выступов выполнены идентичными цилиндрической поверхности ротора, при этом на поверхности перегородки выполнен также сквозной резьбовой канал для соединения с форсункой или свечой зажигания. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторный механизм газораспределения, содержащий головку цилиндра с впускными и выпускными окнами и каналами и цилиндрический ротор с поперечными сегментообразными впускными и выпускными пазами, отличающийся тем, что в головке выполнены перепускные каналы.2. Роторный механизм по п.1, отличающийся тем, что входы перепускных каналов в головке многоцилиндрового двигателя выполнены на поверхностях головки, описываемых при вращении впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами головки, а выходы расположены во впускных каналах в зонах, примыкающих к впускным окнам, при этом в четырехтактном двигателе каналы сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и впуска, а в двухтактном двигателе сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и впуска-выпуска.3. Роторный механизм по п.1, отличающийся тем, что входы перепускных каналов в головке многоцилиндрового двигателя выполнены на поверхностях, описываемых при вращении впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены на поверхностях, описываемых выпускными пазами ротора, на расстоянии не менее окружной длины выпускного паза за выпускным каналом головки, при этом в четырехтактном двигателе каналы сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и сжатия, а в двухтактном двигателе сообщают между собой цилиндры, в которых фазы газораспределения сдвинуты на 90°.4. Роторный механизм по п.1 или 2, отличающийся тем, что выход перепускного канала в головке, по меньшей мере, одноцилиндрового двигателя расположен на поверхности головки, описываемой выпускным пазом ротора на расстоянии не менее окружной длины выпускного паза за выпускным каналом головки, а вход соединен с устройством подачи парообразующей или горючей присадки.5. Роторный механизм по п.1 или 4, отличающийся тем, что входы перепускных каналов в головке многоцилиндрового двигателя выполнены на поверхностях головки, описываемых впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены во впускных каналах в зонах, примыкающих к впускным окнам головки, при этом все входы и выходы каналов сообщаются между собой непосредственно или через ресивер.6. Роторный механизм по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что уплотнитель ротора и головки выполнен в виде герметичной подвижной перегородки, отделяющей поверхность головки от полости цилиндра, на которой со стороны головки выполнены два фигурных сквозных выступа, входящие в соответствующие им по наружному контуру впускное и выпускное окна головки, а их торцевые поверхности выполнены идентичными цилиндрической поверхности ротора, при этом на поверхности перегородки выполнен также сквозной резьбовой канал для соединения с форсункой или свечой зажигания.