ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02B53/02 F02B53/04 F02B53/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к регулируемому узлу привода с четырехтактным роторным двигателем внутреннего сгорания с дополнительной системой расширения и предварительным регулированием получения рабочей смеси, в котором роторный двигатель внутреннего сгорания может работать как двигатель с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия, с рабочим режимом внутреннего сгорания, соответствующим четырехтактному, шеститактному, восьмитактному или n-тактному двигателю с использованием как стандартных видов топлива, так и водорода или иного газа.

Предпосылки к созданию изобретения

В области автономных приводов наиболее часто применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием; эти двигатели могут далее разделяться на двухтактные и четырехтактные двигатели. Двухтактные поршневые двигатели используют очень редко, поскольку сильно перегреваются из-за того, что зажигание в них происходит в два раза чаще; из-за высокой температуры продуктов сгорания в этих двигателях невозможно использовать каталитические дожигатели, и поэтому такие двигатели относят к числу экологически вредных. С одной стороны, четырехтактные поршневые двигатели внутреннего сгорания обеспечивают гораздо более высокую управляемость процесса сгорания смеси в цилиндре, и благодаря более низкой температуре продуктов сгорания существует возможность улучшить их качество с использованием каталитических дожигателей. При более низкой выходной мощности используются четырехтактные двигатели с искровым зажиганием, демонстрирующие улучшенную эксплуатационную динамику и работающие с увеличенным числом оборотов двигателя, что позволяет изготавливать легкие двигатели этого типа. При более высокой выходной мощности и очень высокой выходной мощности - в диапазоне выше 400 кВт и до нескольких МВт - используют главным образом двигатели с воспламенением от сжатия, которые отличаются самым высоким моментом вращения и большой выходной мощностью при более низком диапазоне количества оборотов двигателя, что также является преимуществом из-за большого веса их движущихся деталей. Эти двигатели, однако, работают с цилиндрами большего объема, в связи с чем оказывается затруднительным улучшение качества их продуктов сгорания и, в особенности, удаление оксидов азота. Все же поршневые двигатели внутреннего сгорания обычно демонстрируют низкий тепловой кпд, а их качающиеся детали являются источником сильной вибрации, ограничивающей максимальное число оборотов двигателя и, таким образом, максимальную доступную выходную мощность в расчете на единицу веса и объема.

Хорошо известный роторный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля со вращающимся поршнем устраняет влияние качающихся деталей, вызывающих вибрацию, и отличается тихой и сбалансированной работой даже при работе с большим числом оборотов. Однако в связи с несовершенством конструкции нет возможности сооружать агрегаты большого объема - что значительно ограничивает его применение - и значительным недостатком этого двигателя является большой расход топлива.

Заметно более совершенную конструкцию роторного двигателя внутреннего сгорания можно найти в регулируемом узле привода с двухтактным роторным двигателем внутреннего сгорания, описанном в CZ 12017 U, с предварительным регулированием получения рабочей смеси, который предоставляет возможность воспользоваться преимуществом растянутого расширения продуктов сгорания в пределах дополнительной системы расширения, одновременно позволяя повысить момент вращения. Этот регулируемый узел привода с двухтактным роторным двигателем внутреннего сгорания работает следующим образом: фаза загрузки и сжатия двухтактного рабочего цикла постоянно выполняется с холодной стороны двигателя, а на противоположной - горячей стороне двигателя - имеет место постоянная фаза расширения и выпуска двухтактного рабочего цикла, что ведет, однако, к неравномерному распределению температуры по периметру кольцевого корпуса статора. Однако с этим хорошо известным регулируемым узлом привода с двухтактным роторным двигателем внутреннего сгорания, даже при принятии различных предосторожностей с целью избежать превышения максимальной допустимой температуры стенки статора с горячей стороны двухтактного роторного двигателя внутреннего сгорания, это неравномерное, асимметричное распределение температуры по периметру кольцевого корпуса статора двигателя может рассматриваться как определенный недостаток регулируемого узла привода, выполненного в форме двухтактного роторного двигателя внутреннего сгорания.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание узла привода, устраняющего перечисленные выше недостатки двухтактного двигателя при сохранении других преимуществ этой системы.

Сущность изобретения

Перечисленные выше недостатки в значительной степени устраняются, и задача изобретения решается с помощью регулируемого узла привода с четырехтактным роторным двигателем внутреннего сгорания с предварительным регулированием получения рабочей смеси и с дополнительной системой расширения, состоящего из четырехтактного роторного двигателя внутреннего сгорания с движущимися по окружности лопастями, свободно закрепленными на центральном валу, проходящем через центральную ось внутренней рабочей зоны двигателя, расположенной в корпусе статора, причем лопасти приводятся во вращение носителями, установленными со смещением относительно центральной оси, причем между противоположными наружными поверхностями соседних движущихся по окружности лопастей образуются рабочие камеры, объем которых изменяется, когда вращающаяся часть двигателя поворачивается благодаря установке носителей со смещением относительно центра; минимальный объем рабочей камеры имеет место, когда двигатель находится в верхней мертвой точке, а максимальный объем рабочей камеры имеет место, когда двигатель находится в нижней мертвой точке, и когда внутренняя зона ротора герметично закрыта в осевых направлениях; и который оборудован подводящим и отводящим каналами, выполненными в корпусе статора наряду с регулирующими компонентами и системой зажигания и впрыскивания для двигателя с искровыми зажиганием или системой нагрева и впрыскивания для двигателя с воспламенением от сжатия в соответствии с типом рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению, принцип которого заключается в том, что устье подводящего канала питающего воздуха - который оборудован по меньшей мере одним компонентом регулирования забора воздуха на входе в рабочей зоне двигателя - расположено позади верхней мертвой точки двигателя в направлении вращения движущихся по окружности лопастей; и, позади нижней мертвой точки двигателя в направлении вращения движущихся по окружности лопастей, расположено устье первичного отводящего канала, оборудованного компонентом регулирования выпуска, при этом к первичному отводящему каналу присоединен вторичный отводящий канал, который ведет к рабочей зоне двигателя перед верхней мертвой точкой двигателя, где он оборудован регулирующим компонентом вторичного отводящего канала, при этом между устьем первичного отводящего канала и устьем вторичного отводящего канала расположено устье продувочной трубки с компонентом регулирования продувочного воздуха. Подводящий канал питающего воздуха соединен с резервуаром питающего воздуха посредством питающего дозатора, а продувочная трубка соединена с резервуаром продувочного воздуха посредством продувочного дозатора. Выход первичного выпускного канала соединен со входом многоступенчатой расширительной системы, состоящей из вращающихся устройств с движущимися по окружности лопастями.

Преимущества регулируемого узла привода согласно настоящему изобретению заключаются в первую очередь в том, что в случае четырехтактного роторного двигателя внутреннего сгорания температура распределяется равномерно по всему периметру стенок статора, прилегающих к рабочей зоне двигателя, в то время как двигатель может работать без внешнего циркуляционного охлаждения. Большая часть тепла, выделяющегося в процессе сжигания, преобразуется в механическую энергию в форме момента вращения, приложенного к выходному валу узла привода. Эта конструкция применима в качестве силовой установки как для передвижных, так и стационарных машин в области транспорта, а также промышленности.

Краткое описание чертежей

Основные конструкционные элементы регулируемого узла привода согласно настоящему изобретению изображены в разрезе на прилагаемых чертежах, на которых на фиг.1 представлена версия четырехтактного роторного двигателя с искровым зажиганием, а на фиг.2 представлена версия четырехтактного роторного двигателя с воспламенением от сжатия.

Описание предпочтительного варианта реализации

На фиг.1 показан роторный двигатель внутреннего сгорания (1), с внутренней рабочей зоной (2), где расположены движущиеся по окружности лопасти (3) с носителями (3.1), и где - позади верхней мертвой точки двигателя по направлению (направлениям) вращения движущихся по окружности лопастей (3) - можно видеть устье подводящего канала питающего воздуха (8) с компонентом (8.3) регулирования забора воздуха на его входе в рабочую зону (2) двигателя, который - в данном случае - состоит из запорного клапана. Позади нижней мертвой точки двигателя по направлению (направлениям) вращения движущихся по окружности лопастей (3) можно видеть устье первичного отводящего канала (5), оборудованного компонентом (5.1) регулирования выпуска, также состоящим в этом случае из запорного клапана, а вторичный отводящий канал (9) соединен с первичным отводящим каналом (5); вторичный отводящий канал (9) ведет в рабочую зону (2) двигателя перед верхней мертвой точкой двигателя через компонент (9.1) регулирования выпуска второго отводящего канала - и в этом случае состоящий из запорного клапана. Между устьем первичного отводящего канала (5) и устьем вторичного отводящего канала (9) располагается устье продувочной трубки (7) с компонентом (7.3) регулирования продувочного воздуха. Подводящий канал (8) питающего воздуха соединяется с резервуаром (8.2) питающего воздуха посредством питающего дозатора (8.1), а продувочная трубка (7) соединяется с резервуаром продувочного воздуха посредством продувочного дозатора (7.1). Выход первичного выпускного канала (5) соединяется со входом (10.1) многоступенчатой расширительной системы (10), состоящей из вращающихся устройств с движущимися по окружности лопастями с такими же кинематическими характеристиками, что и у роторного двигателя внутреннего сгорания, применяемого в этом узле привода.

Назначение регулируемого узла привода согласно настоящему изобретению определяется использованием преимуществ кинематических характеристик роторного устройства, описанного в опубликованной патентной заявке CZ-PV 1999-1953 со всеми его благоприятными свойствами и возможностями, которые предлагает это роторное устройство, и с которым появляется возможность использовать преимущества дополнительного соединения с системой расширения, описанной в полезной модели CZ 11151 U и, возможно, с благоприятным использованием конструкции компрессора согласно опубликованной патентной заявке CZ-PV 1999-2842, как источника сжатого воздуха. В частности, конструкция кинематической системы, демонстрирующая минимальные потери на трение, непрерывное движение вращающихся деталей устройства и очень эффективное использование момента вращения наряду с непрерывным односторонним потоком являющейся источником энергии среды, способствует реализации регулируемого узла привода согласно техническому решению в версиях с искровыми зажиганием или с воспламенением от сжатия с использованием стандартных видов топлива, а также водорода, биогаза или иных видов топлива со сходными характеристиками.

Фактическое функционирование узла привода согласно настоящему изобретению можно объяснить более подробно с использованием фиг.1; отсюда следует, что после принудительного поворота движущихся по окружности лопастей (3) и при постоянно открытом канале (8) забора питающего воздуха и закрытом первичном отводящем канале (5) продувочная трубка (7) закрыта, а при закрытом вторичном отводящем канале (9) рабочая камера, расположенная на небольшом расстоянии позади верхней мертвой точки в направлении (направлениях) вращения движущихся по окружности лопастей (3) заполняется находящимся под давлением воздухом из канала (8) забора питающего воздуха при открытом компоненте (8.3) регулирования забора воздуха. После того как исследуемая камера достигнет нижней мертвой точки двигателя, она охватывает наибольший возможный расход воздуха на входе, и при последующем постепенном повороте изучаемой камеры в направлении верхней мертвой точки двигателя происходит сжатие воздуха, содержащегося в исследуемой камере. После достижения верхней мертвой точки двигателя участок впрыскивания системы впрыскивания и зажигания (4) впрыскивает топливо в сжатый воздух и приготовленная таким образом горючая смесь затем зажигается; по мере того как исследуемая камера поворачивается дальше в направлении положения нижней мертвой точки двигателя, горячие продукты горения расширяются и, в то же время, создается момент вращения на всем пути до нижней мертвой точки камеры. Незадолго до того, как исследуемая камера достигнет нижней мертвой точки и после прохождения фазы расширения открывается первичный выпускной канал (5) путем открытия компонента (5.1) регулирования выпуска, и значительная часть находящейся под давлением среды выходит, под воздействием собственного избытка давления, в первичный выпускной канал (5) и далее во вход (10.1) дополнительной многоступенчатой расширительной системы (10), где продолжает расширяться. При дальнейшем повороте исследуемой камеры открывается продувочная трубка (7) путем открывания компонента (7.3) регулирования продувочного воздуха и исследуемая камера допускает затем взаимное соединение - на короткое время - открытой продувочной трубки (7) с открытым вторичным отводящим каналом (9) через внутреннюю полость исследуемой камеры, которая таким образом продувается чистым, холодным воздухом. При дальнейшем повороте исследуемой камеры первичный отводящий канал (5) и рабочая зона исследуемой камеры разделяются в пространственном отношении и затем разделяются в пространственном отношении продувочная трубка (7) и рабочая зона исследуемой камеры. Остаток газа в камере после этого, без заметного сопротивления, выталкивается из камеры во вторичный отводящий канал (9) с открытым компонентом (9.1) регулирования выпуска второго отводящего канала, полностью освобождая таким образом исследуемую камеру, и после прохождения верхней мертвой точки двигателя весь процесс повторяется. Во время рабочего цикла четырехтактного роторного двигателя внутреннего сгорания согласно техническому решению, как описано выше, температура, наблюдающаяся по всему периметру кольцевого корпуса статора двигателя, становится сбалансированной, поскольку на стороне забора и расширения двигателя происходит забор - поступает холодный воздух - и сразу же на этой стороне двигателя в следующей камере происходит расширение зажженной смеси, что сопровождается повышением температуры; фазы забора и расширения таким образом объединяются, следуя одна за другой, совместно стабилизируя температуру корпуса статора со стороны расширения двигателя на определенном тепловом значении.

На противоположной - сжатия и выпуска - стороне двигателя, при движении исследуемой камеры от нижней мертвой точки двигателя в направлении верхней мертвой точки, вторичная фаза выпуска вновь чередуется с последующей фазой сжатия на стенках статора, где камера, сжимающая воздух, т.е. находящаяся в холодной фазе, чередуется с камерой, в которой имеет место вторичная фаза выпуска, которая вновь является горячей фазой, так что на обеих сторонах сжатия и выпуска двигателя температура стенок статора стабилизируется на определенном тепловом значении.

Поскольку вторичная фаза выпуска имеет место только после завершения первичной фазы выпуска в нижней мертвой точке двигателя, которая сопровождается понижением температуры, когда продувочный воздух продувает камеру, основная доля тепла отводится в первичный выпускной канал (5), и последующий ход вторичной фазы выпуска не сопровождается высокой температурой остаточного газа в камере, поскольку он вместо этого охлаждается путем предварительного смешивания с холодным продувочным воздухом, так что температура стенок статора на обеих сторонах сжатия и выпуска в двигателе вновь стабилизируется на определенном значении.

Тем не менее в случае, если четырехтактный роторный двигатель внутреннего сгорания работает в течение длительного времени на максимальную мощность, максимальная допустимая температура корпуса статора может быть превышена. В этом случае можно добавить один дополнительный цикл продувки к четырем фазам рабочего цикла четырехтактного двигателя внутреннего сгорания; новый цикл состоит из одной дополнительной фазы всасывания и вторичного выпуска, в то время как камера, работающая таким образом, выполняет шеститактный рабочий цикл. В случае необходимости можно выполнить две дополнительные фазы продувки, также состоящие из фазы всасывания и вторичного выпуска. В результате камера выполняет восьмитактный рабочий цикл, который сопровождается дополнительным охлаждением стенок корпуса статора.

Целесообразно подчеркнуть, что энергия находящейся под давлением среды, которая не выполняет работы расширения в самом двигателе внутреннего сгорания, не теряется, потому что энергосодержащая среда - например охлаждающий воздух, покидающий двигатель через первичный выпускной канал (5) - переходит в расширительную систему (10), где вся ее энергия преобразуется затем в механическую работу в форме момента вращения.

Можно ввести регулирование максимальной допустимой температуры внутренних стенок статора, обращенных к рабочей зоне (2) двигателя, введя произвольно выбранное количество дополнительных циклов продувки между фазами стандартного рабочего цикла четырехтактного двигателя и таким образом двигатель работает - в течение определенного времени - как в целом пневматический двигатель, когда только энергия давления, которая отбирается у переполняющего воздуха, поступающего в рабочую камеру во время фазы впуска, преобразуется в механическую работу. Когда продувочный воздух уходит через вторичный выпускной канал (9), воздух, находящийся под давлением, поступает в дополнительную расширительную систему (10), где он принимает участие в генерировании дополнительного момента вращения.

Конфигурация узла привода согласно настоящему изобретению позволяет также использовать преимущества предварительного регулирования получения рабочей смеси, что позволяет в любое время готовить рабочую смесь стехиометрического состава, что является основной предпосылкой соблюдения условия равномерного горения топлива с образованием минимального количества вредных выбросов и способствует значительному улучшению экологической ценности работы этого устройства.

Изобретение относится к регулируемому узлу привода с четырехтактным роторным двигателем внутреннего сгорания с дополнительной системой расширения и с предварительным регулированием получения рабочей смеси, состоящему из четырехтактного роторного двигателя внутреннего сгорания (1) с движущимися по окружности лопастями (3), который оборудован подводящим и отводящим каналами, выполненными в корпусе статора. Согласно изобретению устье подводящего канала питающего воздуха (8), который оборудован, по меньшей мере, одним компонентом (8.3) регулирования забора воздуха на входе в рабочей зоне двигателя (2), располагается позади верхней мертвой точки двигателя в направлении вращения лопастей (3), и позади нижней мертвой точки двигателя в направлении вращения лопастей (3) располагается устье первичного отводящего канала (5), оборудованного компонентом (5.1) регулирования выпуска. К первичному отводящему каналу (5) присоединен вторичный отводящий канал (9), который ведет к рабочей зоне (2) двигателя перед верхней мертвой точкой двигателя, где он оборудован регулирующим компонентом (9.1) вторичного отводящего канала (9), а между устьем первичного отводящего канала (5) и устьем вторичного отводящего канала (9) располагается устье продувочной трубки (7) с компонентом (7.3) регулирования продувочного воздуха. Узел привода может применяться как для передвижных, так и стационарных машин в области транспорта, а также промышленности. 2 ил.

1. Регулируемый узел привода с четырехтактным роторным двигателем внутреннего сгорания с дополнительной системой расширения и с предварительным регулированием получения рабочей смеси, содержащий четырехтактный роторный двигатель внутреннего сгорания (1) с движущимися по окружности лопастями (3), свободно закрепленными на центральном валу, проходящем через центральную ось внутренней рабочей зоны (2) двигателя, расположенной в корпусе статора, причем лопасти приводятся во вращение носителями (3.1), установленными со смещением относительно центральной оси, в то время как между противоположными наружными поверхностями соседних движущихся по окружности лопастей (3) образуются рабочие камеры, объем которых изменяется, когда вращающаяся часть двигателя поворачивается благодаря установке носителей (3.1) со смещением относительно центра; причем минимальный объем рабочей камеры имеет место, когда двигатель находится в верхней мертвой точке, а максимальный объем рабочей камеры имеет место, когда двигатель находится в нижней мертвой точке и когда внутренняя зона ротора герметично закрыта в осевых направлениях; и который оборудован подводящим и отводящим каналами, выполненными в корпусе статора наряду с регулирующими компонентами и системой (4) зажигания и впрыскивания для двигателя с искровыми зажиганием или системой (4.1) нагрева и впрыскивания для двигателя с воспламенением от сжатия в соответствии с типом рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что устье подводящего канала (8) питающего воздуха, который оборудован, по меньшей мере, одним компонентом (8.3) регулирования забора воздуха на входе в рабочей зоне двигателя (2), расположено позади верхней мертвой точки двигателя в направлении (направлениях) вращения движущихся по окружности лопастей (3); и позади нижней мертвой точки двигателя в направлении (направлениях) вращения движущихся по окружности лопастей (3) расположено устье первичного отводящего канала (5), оборудован компонентом (5.1) регулирования выпуска, причем к первичному отводящему каналу (5) присоединен вторичный отводящий канал (9), который ведет к рабочей зоне (2) двигателя перед верхней мертвой точкой двигателя, где он оборудован регулирующим компонентом (9.1) вторичного отводящего канала (9), при этом между устьем первичного отводящего канала (5) и устьем вторичного отводящего канала (9) расположено устье продувочной трубки (7) с компонентом (7.3) регулирования продувочного воздуха.2. Регулируемый узел привода по п.1, отличающийся тем, что подводящий канал (8) питающего воздуха соединен с резервуаром (8.2) питающего воздуха посредством питающего дозатора (8.1), а продувочная трубка (7) соединена с резервуаром продувочного воздуха посредством продувочного дозатора (7.1).3. Регулируемый узел привода по п.1 или 2, отличающийся тем, что выход первичного выпускного канала (5) соединен со входом (10.1) многоступенчатой расширительной системы (10), состоящей из вращающихся устройств с движущимися по окружности лопастями.