РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ 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 роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания Ф.Ванкеля, содержащий корпус, окна впуска и выпуска, ротор (см. Бениович B.C., Апазиди Г.Д., Бойко А.М. Роторно-поршневые двигатели. М., Машиностроение, 1968 г., с.14-16, 21, 27, 32-33, 36).

Ротор установлен на эксцентриковом валу. Рабочая поверхность корпуса выполнена в виде двух эпитрохоид, напоминающих восьмерку. Трехгранный ротор совершает планетарное движение как относительно своей оси, так и относительно оси вращения вала двигателя. В гранях ротора, в их средней части, выполнены камеры сгорания. Выполнение рабочей поверхности корпуса в виде двух эпитрохоид определило конструкцию ротора в виде треугольника в плоскости его вращения.

В роторном двигателе Ф.Ванкеля в положении ВМТ (верхняя мертвая точка) камера сгорания состоит из двух серповидных камер, сообщающихся через выемку в роторе.

При вращении ротора происходит перетекание (выдавливание) заряда из задней уменьшающейся камеры в увеличивающуюся переднюю со скоростью, зависящей от формы и положения выемки в роторе. Вследствие этого явления пламя выносится вперед и охватывает большую часть заряда. При испытаниях выяснилось, что независимо от скоростного режима двигателя фронт пламени достигает определенных мест эпитрохоидной поверхности приблизительно при одинаковых углах поворота вала. Объясняется это тем, что скорость перетекания смеси изменяется пропорционально числу оборотов и фронт пламени при повышении последних переносится быстрее. Однако в связи с тем, что скорость перетекания заряда в значительной области поворота оказывается больше скорости распространения пламени (равной 12-25 м/с), фронт пламени никогда не поднимается выше свечи. В результате этого расположенная выше нее часть заряда сгорает позже, только по прохождении им через малую ось эпитрохоиды, то есть при перетекании смеси в зону горения. Это обстоятельство ухудшает и затягивает процесс сгорания, о чем свидетельствует, в частности, повышенная температура отработавших газов. Все это приводит к значительным потерям теплоты через систему охлаждения и с выхлопными газами, существенно снижает топливную экономичность и эффективную мощность двигателя, а значит, снижаются удельные весогабаритные показатели двигателя. Не вполне удовлетворительное протекание кривой крутящего момента у роторно-поршневых двигателей отчасти объясняется особенностями процесса смесеобразования. Процесс сгорания при этом затягивается, и имеет место догорание. В результате чего ухудшается термодинамика рабочего цикла, приводящая к перегреву двигателя, снижению его надежности, долговечности, а также топливной экономичности двигателя (Бениович B.C., Апазиди Г.Д., Бойко А.М. Роторно-поршневые двигатели. М., Машиностроение, 1968 г., с.31-33). В роторно-поршневом двигателе Ф.Ванкеля снижение термического К.П.Д. обусловлено конечной скоростью тепловыделения, что приводит также к снижению топливной экономичности.

Значительная протяженность граней ротора создает растянутость и приплюснутость заряда в рабочей камере в секторе сжатия, сгорания и расширения и тем самым существенно ухудшает сгорание. Перемещение рабочей камеры и существенная разница в плотностях топлива и воздуха вызывает расслоение заряда, то есть выделение топлива из состава рабочего заряда в результате его отставания и формирование переобогащенного по составу рабочего заряда в хвостовой части рабочей камеры (см. Двигателестроение, 1986 г., №9, с.12-14), а в головной части рабочей камеры формируется обедненная по составу рабочая смесь, что приводит к существенному увеличению времени сгорания топлива и неполноте сгорания, что в конечном счете приводит к существенному снижению топливной экономичности рабочего процесса двигателя. Протяженность рабочей камеры усложняет выбор оптимального места и формы камеры сгорания на грани ротора. Переобогащенная рабочая смесь, находящаяся в хвостовой части рабочей камеры, сгорает лишь в последнюю очередь уже после значительного поворота ротора в зоне расширения, что существенно снижает эффективность рабочего процесса и приводит к снижению топливной экономичности двигателя.

Наиболее близким техническим решением является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с форсункой, окна впуска и выпуска, ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями, рабочую поверхность корпуса, образованную 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 центра части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением , где а -постоянная величина, с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов (см. RU №2118467, C1, F 02 B 53/00).

Вершина ротора в данном двигателе делит на две части объем рабочей камеры, что ухудшает процессы смесеобразования и сгорания. В этих условиях отсутствуют турбулентные движения заряда, способствующие хорошему перемешиванию топлива с воздухом и растягиванию по времени процесс сгорания, переходящий в сектор расширения при увеличении рабочего объема. Повышаются потери теплоты через систему охлаждения и с выхлопными газами. При этом существенно снижается топливная экономичность и мощность двигателя.

Кроме того, способ смесеобразования в двигателе по патенту №2118467 предполагает даже при внутреннем смесеобразовании при более высоких температурах поверхности ротора, на которую наносится топливная пленка, возможны случаи скатывания капель топлива с этой поверхности в зоны вредного объема в рабочей камере, что будет приводить к неполноте сгорания и высокой степени догорания задержавшегося в этих зонах топлива. Это влечет за собой существенное снижение топливной экономичности.

Создание роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с высокими удельными весогабаритными показателями, высокой мощностью и топливной экономичностью является задачей, на которую направлено данное изобретение.

Сущность изобретения заключается в том, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с форсункой, окна впуска и выпуска, ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями, рабочую поверхность корпуса, образованную 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 центра части окружности по направляющей – овалу Кассини с соотношением , где а - постоянная величина, с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов, в корпусе на стыке секторов сгорания и расширения выполнена камера подготовки топлива к самовоспламенению, а в каждой рабочей камере на тороидальной поверхности ротора выполнена камера сгорания. Наличие двух камер в данной двигателе устраняет условие разделения ротором в зоне максимального сжатия рабочей камеры на две части (лидирующую и отстающую) и поэтому делает заряд компактным, максимально использующим кислород воздуха, обеспечивая полноту сгорания при высокой скорости сгорания и мягкой работе двигателя. Наличие двух камер - камеры подготовки топлива к самовоспламенению, расположенной в корпусе на стыке секторов сжатия и расширения, и камеры сгорания, расположенной в каждой рабочей камере на тороидальной поверхности ротора, концентрирует компоненты рабочего заряда: в корпусе топливо находится в компактном объеме, а в роторе сконцентрирован воздушный заряд для наилучшего использования кислорода в воздушном заряде. Таким образом, происходит постепенное дозированное вовлечение топливного заряда, подготовленного к самовоспламенению, но еще не воспламенившегося.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:

фиг.1 изображен продольный разрез двигателя с тороидально-цилиндрической рабочей поверхностью;

фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

фиг.3 показан момент впрыска топлива в сферическую камеру подготовки топлива к самовоспламенению;

фиг.4 - момент сообщения обеих камер;

фиг.5 - вид по стрелке Б на фиг.4;

фиг.6 показана схема двигателя с линейчатой рабочей поверхностью, выполненной по направляющей - эллипсу;

фиг.7 - схема двигателя с линейчатой рабочей поверхностью, выполненной по направляющей - овалу Кассини.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, имеющий секторы всасывания 2, сжатия 3, расширения 4 и выпуска 5, каналы впуска 6 и выпуска 7. Внутри корпуса 1 расположен ротор 8 с размещенными в пазах ползунами 9, шарнирно связанными с поршнями 10, рабочую поверхность корпуса 1, образованную движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность 11, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей 12 - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей 13 - овалу Кассини с соотношением . В каждой рабочей камере 14, образованной рабочей поверхностью корпуса 1, рабочей поверхностью ротора 8 и поверхностями ползунов 9 и поршней 10, на всей длине тороидальной поверхности ротора 8 выполнена камера сгорания 15. На стыке двух секторов сжатия 3 и расширения 4 в корпусе 1 выполнена сферическая камера 16 подготовки топлива к самовоспламенению с тангенциально расположенной горловиной 17 и форсункой 18.

Работу роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания рассмотрим на примере рабочего цикла рабочей камеры 14, образованной рабочей поверхностью ротора 8, поверхностями ползунов 9, поршней 10 и рабочей поверхностью корпуса 1, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность 11.

При вращении ротора 8 через впускной канал 6 осуществляется впуск свежего воздуха в рабочую камеру 14. При повороте ротора 8, когда рабочая камера 14 в секторе 3 сжатия займет положение относительно вертикали под углом 9, в сферическую камеру 16 подготовки топлива к самовоспламенению в корпусе 1 форсункой 18 впрыскивается топливо, образуя на стенках ее тонкую пленку, которая проходит стадию подготовки к самовоспламенению (нагревается, испаряется от сильно нагретых стенок 350-600С°), но еще не воспламенятся из-за недостаточности кислорода воздуха. При дальнейшем вращении ротора 8 в момент сообщения камеры сгорания 15 через тангенциально расположенную горловину 17 сферической камеры 16 подготовки топлива к самовоспламенению в рабочую камеру 14 нагнетается чистый горячий от сжатия воздух, происходит турбулизация воздушного заряда или уже испарившейся части топливной пленки, возникает очаг воспламенения, повышающий давление и температуру внутри сферической камеры 16 подготовки топлива к самовоспламенению. Эта часть заряда в результате повышения давления в сферической камере 16 подготовки топлива к самовоспламенению истекает в рабочую камеру 14, где очаг, соприкасаясь с достаточным количеством кислорода, воспламеняется, завершая сгорание этой части топлива. Газы от сгоревшей части топлива направляются по ходу вращения ротора 8 в увеличивающийся объем рабочей камеры 14. При последующем вращении ротора 8 испарение топливной пленки и возникающих по мере испарения пленки очагов, истекающих через горловину 17 сферической камеры 16 подготовки топлива к самовоспламенению в зону камеры 15 сгорания, происходит сгорание очередной порции испарившегося топлива. Таким образом, при симметричном положении рабочей камеры 14 относительно вертикали процесс сгорания завершается полностью, а оставшаяся в камере 15 сгорания часть воздуха как бы завершает процесс сгорания. Такое смесеобразование посредством двух камер: сферической камеры 16 подготовки топлива к самовоспламенению и камеры 15 сгорания на тороидальной поверхности ротора, обеспечивает эффективное смесеобразование, создающее условие быстрого, мягкого и полного сгорания топлива без процесса догорания за счет взаимодействия, с одной стороны, подготовленного к самовоспламенению топлива и, с другой стороны, постепенная подача кислорода свежего воздуха при достаточно быстром процессе сгорания. Отработавшие газы отправляются по ходу вращения ротора 8 в секторе 4 расширения в увеличивающийся объем рабочей камеры 14, тем самым не мешая новой порции подготовленного топлива к самовоспламенению взаимодействовать с кислородом новой порции свежего воздуха. При расположении рабочей камеры 14 относительно вертикали под углом 3-5° процесс сгорания полностью завершается в одной рабочей камере.

Аналогичные процессы происходят в остальных рабочих камерах 14 за один оборот ротора 8. Отработавшие газы давят на выступающие поверхности ползунов 9, поршней 10 и создают крутящий момент на валу относительно центра вращения ротора 8. Таким образом совершается полный рабочий цикл во всех рабочих камерах 14 за один оборот ротора.

Аналогичным образом работает роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с рабочей поверхностью корпуса 1, выполненной в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей 12 - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей 13 - овалу Кассини с соотношением , где а - постоянная величина, с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.

Предлагаемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания за счет сочетания двух камер: сферической камеры подготовки топлива к самовоспламенению, расположенной в корпусе на стыке секторов сжатия и расширения, и камеры сгорания, выполненной в каждой рабочей камере на тороидальной поверхности ротора, обеспечивает такое смесеобразование, которое способствует быстрому, полному, мягкому процессу сгорания топлива, что в свою очередь обеспечивает высокую топливную экономичность, долговечность, надежность, а значит, моторесурс двигателя. Высокая равномерность вращения вала ротора, высокая величина среднего значения крутящего момента обеспечивает высокую надежность как самого двигателя, так и силовой передачи тягово-транспортного средства.

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 массогабаритных показателей и экономичности двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус с форсункой, окна впуска и выпуска и ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями. Рабочая поверхность корпуса образована движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующими тороидально-цилиндрическую поверхность. Или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением , где а - постоянная величина, с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов. Согласно изобретению в корпусе на стыке секторов сжатия и расширения выполнена камера подготовки топлива к самовоспламенению, а в каждой рабочей камере на тороидальной поверхности ротора выполнена камера сгорания. 7 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с форсункой, окна впуска и выпуска, ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями, рабочую поверхность корпуса, образованную движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующими тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини, с соотношением

где а - постоянная величина;

с - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов,

отличающийся тем, что в корпусе на стыке секторов сжатия и расширения выполнена камера подготовки топлива к самовоспламенению, а в каждой рабочей камере на тороидальной поверхности ротора выполнена камера сгорания.