РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02B53/02 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в энергетическом машиностроении в качестве гидродвигателя, насоса и двигателя внутреннего сгорания на водном и сухопутном транспорте.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей поверхностью, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением:

где а - постоянная величина;

с - расстояние центра овала Кассини до его фокуса (см. PU 2118467 С1, М.кл. 6 F 02 В 53/00).

Известный роторный двигатель внутреннего сгорания имеет следующие недостатки.

Возможность потери части заряда при нанесении пленки на поверхность ротора. В результате перераспределения заряда относительно верхней рабочей поверхности ротора и полостей под поршнем (мертвое пространство), так как невозможно осуществить горение топлива даже при наличии достаточного количества кислорода.

Другим недостатком известного роторного двигателя является зависимость способа нанесения пленки от рабочего положения двигателя. При вертикальном положении двигателя нанесенная на поверхность ротора пленка топлива при разных режимах работы двигателя может сползать с поверхности ротора и попадать в мертвую зону под поршень, что будет приводить существенно к неполноте сгорания топлива и таким образом снижать мощность двигателя и его удельные экономические и весогабаритные показатели.

Кроме того, возможен длительный по времени период индукции -подготовка топлива к воспламенению, что также приводит к существенному снижению топливной экономичности и удельных показателей двигателя в результате переноса процесса сгорания в сектор расширения.

Создание роторного двигателя внутреннего сгорания с повышенной мощностью, топливной экономичностью и более высокими удельными весогабаритными показателями двигателя является задачей, на решение которой направлено данное изобретение.

Сущность изобретения заключается в том, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с рабочей поверхностью, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением где а -постоянная величина, с - расстояние центра овала Кассини до его фокуса, в секторе расширения в корпусе двигателя выполнена камера подготовки топлива, объем которой составляет 2-20% от объема рабочей камеры при максимальном сжатии.

Наличие камеры подготовки топлива в корпусе двигателя, в которую производится впрыск цикловой порции топлива, обеспечивает одновременность подготовки к самовоспламенению всей цикловой порции топлива и мягкий характер сгорания при последовательном контакте подготовленного топлива в камере со свежим горячим воздухом по мере продвижения рабочей камеры относительно выпускного канала. Камера подготовки топлива обеспечивает компактность заряда и лучшее использование всей цикловой порции топлива без потерь в мертвое пространство. Камера подготовки топлива, выполненная в корпусе двигателя, гомогенизирует, то есть создает однородную структуру впрыснутой цикловой порции, состоящей из огромного количества мельчайших однородных капель топлива, проходящих ускоренно подготовку к самовоспламенению. Очень быстро совершается процесс активации каждой капли, то есть разрыв молекул, благодаря чему в дальнейшем обеспечивается полнота сгорания топлива.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на

фиг.1 изображен общий вид двигателя с тороидально-цилиндрической рабочей поверхностью;

фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

фиг.3 - положение рабочей камеры перед началом впрыска топлива с углом θ=10-20° относительно вертикальной линии;

фиг.4 - положение рабочей камеры в момент завершения подготовки топлива к самовоспламенению и сообщение камеры подготовки топлива с рабочей камерой;

фиг.5 - положение рабочей камеры относительно камеры подготовки топлива в момент ее продувки свежим воздухом;

фиг.6 - схема роторного двигателя с линейчатой рабочей поверхностью, выполненной по образующей - эллипсу;

фиг.7 - схема роторного двигателя с линейчатой поверхностью, выполненной по образующей - овалу Кассини.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, имеющий секторы всасывания 2, сжатия 3, расширения 4 и выпуска 5, окна впуска 6 и выпуска 7, ротор 8 с расположенными в пазах ползунами 9, шарнирно связанными с поршнями 10, камеру 11 подготовки топлива с форсункой 12, расположенную в корпусе 1 двигателя в секторе расширения 4. Рабочая камера 13 ограничена между поверхностью ротора 8 и линейчатой рабочей поверхностью 14 корпуса 1. Линейчатая рабочая поверхность 14 выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру 15, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующими тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движениями центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением где а -постоянная величина; с - расстояние центра овала Кассини до его фокусов.

Работу двигателя рассмотрим на примере рабочего цикла рабочей камеры 13, образованной между поверхностью ротора 8 и линейчатой рабочей поверхностью 14 корпуса 1, выполненной в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру 15, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность. При вращении ротора 8 через впускной канал 6 в сектора всасывания 13 в результате разряжения в рабочую камеру 13 поступает свежий воздух, который сжимается при перемещении рабочей камеры 13 в сектор сжатия 3, где поступивший свежий воздух сжимается с максимальной степенью сжатия, нагреваясь до высоких температур. Процесс смесеобразования и сгорания в рабочей камере 13 осуществляется следующим образом. При положении рабочей камеры 13 в секторе сжатия 3, когда средняя линия рабочей камеры 13 относительно вертикальной линии (θ) составит 10...20°, форсункой 12 впрыскивается топливо в камеру 11 подготовки топлива, находящуюся в корпусе 1 двигателя. При впрыске топливо перемешивается с горячим воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Топливо проходит период индукции (нагревается и испаряется, т.е. подготавливается к самовоспламенению). Стенки камеры 11 подготовки топлива теплоизолированы от корпуса 1 и имеют в среднем за рабочий цикл температуру 350-450°С.

Впрыснутое топливо не воспламеняется, а проходит стадию подготовки к самовоспламенению, т.е. нагревается, испаряется, активизируется, но не воспламеняется из-за отсутствия достаточного количества кислорода. За период индукции поршень 10 проходит камеру 11 подготовки топлива к самовоспламенению и в момент сообщения камеры 11 подготовки топлива с рабочей камерой 14 топливо воспламеняется, т.к. в этот момент происходит перемешивание активной гомогенизированной массы топлива с кислородом нагретого воздуха. Давление и температура повышается, горящая масса рабочего тела вырывается в рабочую камеру 13 последовательно по мере продвижения ее и перемешивания рабочего тела со свежим горячим воздухом. При этом увеличивается скорость и полнота сгорания топлива. Повышается давление газа на выступающую поверхность ползуна 9, возникает крутящийся момент на валу двигателя, и рабочие процессы осуществляются в каждой камере от 4-х до 24-х рабочих камер 13 за один оборот ротора 8.

Аналогичным образом работает двигатель внутреннего сгорания с линейчатой рабочей поверхностью, выполненной в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу 16, или с линейчатой рабочей поверхностью, выполненной в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением где а -постоянная величина, с -расстояние центра овала Кассини до его фокусов.

Выполнение камеры подготовки топлива в корпусе двигателя в секторе расширения позволяет впрыскивать топливо в широком диапазоне изменения угла начала впрыска топлива, что очень важно при установлении оптимальной величины этого угла при эксперименте работы двигателя в различных режимах - скоростном и нагрузочном режимах. Объем камеры подготовки топлива не влияет на снижение величины степени сжатия, т.к. она расположена в корпусе (вне рабочей камеры) в момент максимального сжатия. Камера подготовки топлива, расположенная в корпусе двигателя, концентрирует в себе цикловую порцию топлива, подготавливая ее к самовоспламенению, формирует гомогенизированный состав рабочего тела (одинаковые по величине мелкие капли топлива с размером 5...10 мкм к началу самовоспламенения). Выбранная величина объема камеры подготовки топлива 2...20% от объема рабочей камеры при максимальном сжатии является оптимальной с точки зрения эффективного использования ее при подготовке топлива к самовоспламенению и достижения при этом минимальной величины коэффициента остаточных газов в рабочем теле.

Выполнение камеры подготовки топлива объемом ниже 2% от объема рабочей камеры при максимальном сжатии является не эффективной с точки зрения подготовки топлива к самовоспламенению - существенно увеличивается время на подготовку топлива, что приведет к позднему самовоспламенению топлива при значительном угле поворота ротора в секторе расширения, что приводит к значительным тепловым потерям в систему охлаждения. Выполнение камеры подготовки топлива объемом более 20% от объема рабочей камеры при максимальном сжатии приводит к увеличению коэффициента остаточных газов и ухудшению процесса сгорания топлива, растяжке процесса сгорания. Такое выполнение роторного двигателя обеспечивает лучшее использование всей цикловой порции топлива без потерь в мертвое пространство под поршнем, что повышает мощность, экономичность и удельные весогабаритные показатели двигателя.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в энергетическом машиностроении в качестве гидродвигателя, насоса и двигателя внутреннего сгорания на водном и сухопутном транспорте. Техническим результатом является улучшение удельных показателей двигателя и его экономичности. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус с рабочей поверхностью, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением: где а - постоянная величина, с - расстояние центра овала Кассини до его фокуса. Согласно изобретению в секторе расширения в корпусе двигателя выполнена камера подготовки топлива, объем которой составляет 2...20% от объема рабочей камеры при максимальном сжатии. 7 ил.

Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей поверхностью, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением части окружности по направляющей - овалу Кассини, с соотношением

где а - постоянная величина;

с - расстояние центра овала Кассини до его фокуса,

отличается тем, что в секторе расширения в корпусе двигателя выполнена камера подготовки топлива, объем которой составляет 2...20% от объема рабочей камеры при максимальном сжатии.