СПОСОБ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО РОТОРНО-ЛОПАСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИСТЕМОЙ ГАЗОАККУМУЛЯТОРНОЙ РЕКУПЕРАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК F02B75/02 F02B47/08 F01C1/07 F02B55/14 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве силовой установки на автомобильном транспорте.

Известно устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания (Tai, Chun, Tsao, Tsu-Chin, M.В.Levin, G.Barta, and M.M. Schechter, "Using Camless Valvetrain for Air Hybrid Optimization", SAE World Congress 2003 Special Publications (SP-1752), ISBN: 0-7680-1175-2) с головкой цилиндров, содержащей, по меньшей мере, два впускных клапана с электромагнитным приводом, причем один клапан перекрывает впускной трубопровод, сообщающийся с атмосферой, а другой клапан перекрывает трубопровод, сообщающийся с воздушным ресивером.

Недостатком известной конструкции является наличие механического клапана между ресивером и цилиндром, что снижает надежность работы, а также мертвого объема камеры сгорания, что не позволяет создать в ресивере большое давление, тем самым ограничивая энергоемкость системы.

Известно устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (RU, C1, 2159342), содержащего рабочую полость с впускными и выпускными каналами, камеру сгорания, выходной вал, два неравномерно вращающихся блока лопастей с узлами уплотнительных элементов лопастей, механизм неравномерного вращения блоков лопастей, осуществляющий кинематическую связь выходного вала с блоками лопастей и включающий зубчатые колеса, закрепленные на корпусе рабочей полости, и, по крайней мере, одним сателлитом на валу механизма, причем в рабочей полости образованы рабочие камеры переменного объема с зонами расширения и зонами сжатия в зависимости от угла поворота выходного вала.

Наиболее близким к заявленному устройству роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания по технической сущности и достигаемому результату является устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (RU, C2, 2198307), содержащего цилиндрическую рабочую полость, закрытую с торцов крышками, впускные и выпускные каналы, вынесенную за пределы рабочей полости камеру сгорания в форме трубки, выходной вал, два неравномерно вращающихся соосных блока лопастей с узлами уплотнительных элементов лопастей, механизм неравномерного вращения блоков лопастей, осуществляющий кинематическую связь выходного вала с блоками лопастей и включающий некруглые зубчатые колеса, попарно закрепленные на блоках лопастей и выходном валу, причем в рабочей полости образованы рабочие камеры переменного объема с зонами расширения и зонами сжатия в зависимости от угла поворота выходного вала.

Недостатком этого прототипа является значительное отношение высоты лопасти к диаметру ступицы блока лопастей и длинную кинематическую цепь механизма неравномерного вращения, что не обеспечивает достаточную жесткость рабочих частей двигателя и препятствует смыканию лопастей с малым мертвым объемом, в результате чего не представляется возможным полное вытеснение рабочего тела в конце такта сжатия в камеру сгорания. Известный прототип также имеет низкую удельную мощность, так как является аналогом четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, и совершает два относительных возвратно-вращательных движения блоков лопастей за рабочий цикл.

Наиболее близким к заявленному способу работы двигателя внутреннего сгорания по технической сущности и достигаемому результату является способ работы газотурбинных двигателей по циклу Брайтона, включающий сжатие рабочего тела в компрессоре, перепуск рабочего тела в камеру сгорания, сжигание в рабочем теле топлива и расширение рабочего тела в турбине.

Недостатком этого прототипа является то, что мгновенный массовый расход рабочего тела через компрессор равен мгновенному массовому расходу через турбину, за вычетом массы подаваемого в камеру сгорания топлива, и варьировать соотношение расходов не представляется возможным, что снижает регулировочные возможности двигателя.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемая группа изобретений, является повышение эффективного коэффициента полезного действия автомобильного роторно-лопастного двигателя при движении по городскому циклу, снижение токсичности отработавших газов и повышение удельной мощности.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем сжатие рабочего тела в полости сжатия, вытеснение рабочего тела в камеру сгорания, сжигание в рабочем теле топлива, перепуск из камеры сгорания в полость расширения, расширение и замену отработавших газов свежим зарядом, особенностью является то, что:

- отношение массы рабочего тела, перепущенного за рабочий цикл из полости сжатия в камеру сгорания, к массе рабочего тела, перепущенного из камеры сгорания в полость расширения, регулируют, тем самым изменяя отношение работы расширения к работе сжатия;

- часть отработавших газов охлаждают и смешивают со свежим зарядом, причем массовую долю отработавших газов в свежем заряде регулируют от нуля до единицы;

- замена отработавших газов свежим зарядом производится посредством выпуска и впуска, либо посредством выпуска и продувки, либо посредством выпуска, продувки и дозарядки.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в устройстве роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндрическую рабочую полость с двумя соосными роторами, каждый из которых состоит из ступицы с закрепленными на ней, по крайней мере, двумя лопастями, и разделяющими объем цилиндрической рабочей полости на рабочие камеры переменного объема, механизм передачи, обеспечивающий вращение роторов с переменными угловыми скоростями, камеру сгорания, сообщающуюся с рабочей полостью посредством вытеснительных и приемных окон, торцевые крышки рабочей полости, систему подачи топлива, особенностью является то, что:

- механизм передачи выполнен в виде, по крайней мере, двух коленчатых валов, вращающихся в водиле, причем каждый коленчатый вал имеет по крайней мере две шатунные шейки, через которые посредством шатунов коленчатый вал соединен со ступицами роторов, и, по крайней мере, один зубчатый венец, который находится в зацеплении по меньшей мере с одним неподвижным колесом;

- замена отработавших газов в рабочих камерах свежим зарядом осуществляется через каналы, сообщающиеся с рабочей полостью и перекрываемые управляемыми клапанами, например, с электромагнитным или гидравлическим приводом;

- камера сгорания выполнена в виде жаровых труб, сообщающихся с газовым ресивером, причем ресивер выполняет роль газового аккумулятора;

- зубчатая передача выполнена преимущественно с некруглыми колесами внутреннего зацепления;

- неподвижное колесо и рабочая полость имеют механизм для изменения угла поворота друг относительно друга;

- число пар окон, соединяющих жаровые трубы с рабочей полостью, равно числу пар лопастей;

- рабочие камеры сообщаются с парами окон при каждом смыкании пар лопастей;

- ресивер имеет преимущественно тороидальную форму, а жаровые трубы находятся внутри его полости;

- подачу топлива осуществляют в жаровые трубы.

На фиг.1 представлен вид роторно-лопастного двигателя со стороны выходного вала, причем выпускная крышка, выпускные клапаны, неподвижное колесо и маховик не показаны.

На фиг.2 представлен разрез по А-А.

На фиг.3 представлен разрез по Б-Б, причем роторно-лопастная группа не показана.

На фиг.4 представлена аксонометрическая проекция роторно-лопастной группы двигателя с разнесением компонентов.

На фиг.5 представлена схема работы двигателя (поворот водила на угол 50° с шагом 10°).

На фиг.6 представлены индикаторная диаграмма и взаимное положение вытеснительного и перепускного окна и плоскости смыкания лопастей для одного из длительных режимов работы (номинального).

На фиг.7 представлены индикаторная диаграмма и взаимное положение вытеснительного и перепускного окна и плоскости смыкания лопастей для одного из кратковременных режимов работы (максимального момента тягового режима).

На фиг.8 представлены индикаторная диаграмма и взаимное положение вытеснительного и перепускного окна и плоскости смыкания лопастей для одного из кратковременных режимов работы (максимального момента режима рекуперативного торможения).

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания состоит из неподвижного остова, поворотного блока и роторно-лопастной группы. Устройство остова в описании настоящего изобретения не рассматривается. На остове жестко закреплено неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления 1. Поворотный блок установлен соосно с колесом 1 и имеет возможность поворота относительно остова на малый угол (до 20°).

Поворотный блок содержит цилиндрическую рабочую полость 2, ресивер 3, впускную 4 и выпускную 5 крышки. На крышках установлены впускные 6 и выпускные 7 клапаны, к которым подводятся соответственно впускные 8 и выпускные 9 каналы. Крышки прикреплены к цилиндрической полости винтами 10. В крышках выполнены вытеснительные 11 и приемные 12 окна, попарно соединенные жаровыми трубами 13. Пары окон выполнены в крышках 4 и 5 со смещением, как показано на фиг.6-8. Жаровые трубы расположены в полости ресивера и сообщаются с ней через отверстия 14. Непосредственно у вытеснительного окна в каждой жаровой трубе установлены форсунки 15 системы топливоподачи.

Роторно-лопастная группа содержит водило 16, в котором на коренных подшипниках 17 и 18 закреплены с возможностью вращения коленчатые валы 19. Каждый коленчатый вал имеет зубчатый венец и две находящиеся в противофазе шатунные шейки, на которых установлены шатунные подшипники 20 и шатуны 21. В верхних головках шатунов установлены втулки 22, через которые с помощью пальцев 23 шатуны соединяются со ступицами роторов 24. На каждой из ступиц роторов с равным угловым шагом консольно жестко закреплены лопасти 25. На заднем конце водила винтами 26 закреплен маховик 27. Роторно-лопастная группа вращается в подшипниках 28 и 29, закрепленных в поворотном блоке и остове.

В представленном варианте изобретения роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания имеет три жаровых трубы с тремя парами вытеснительных и приемных окон, три пары лопастей, установленных на ступицах роторов с шагом 120° и три коленчатых вала, расположенных в водиле также с шагом 120°. Среднее передаточное отношение зубчатой передачи равно 1:3. Зубчатая передача выполнена с некруглыми колесами, чтобы компенсировать асимметрию закона движения роторов, обусловленную наличием кривошипно-шатунного механизма, и сделать работу смежных рабочих камер идентичной.

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При вращении водила 16 коленчатые валы 19 своими зубчатыми венцами обкатываются по колесу 1 наподобие сателлитов планетарного механизма. Верхние головки шатунов 21 сообщают ступицам роторов 24 возвратно-вращательные движения относительно водила, по одному циклическому движению за каждый оборот коленчатого вала, или, что эквивалентно, за каждые 120° угла поворота водила. Возвратно-вращательные движения роторов складываются с равномерным вращательным движением водила, в результате чего роторы описывают неравномерное вращательное движение, поочередно смыкая противолежащие боковые поверхности лопастей, как показано на фиг.5. Полезная мощность снимается с выходного вала водила 16 либо с маховика 27.

Двигатель работает в широком диапазоне выходного крутящего момента, в том числе с отрицательным выходным моментом, то есть в режиме рекуперативного торможения. Режим работы двигателя определяется взаимным положением плоскости смыкания лопастей и вытеснительного и приемного окон каждой жаровой трубы. Положение плоскости смыкания лопастей регулируют вращением поворотного блока относительно колеса 1.

На фиг.6 плоскость смыкания лопастей находится в зоне вытеснительного окна и двигатель работает в длительном тяговом режиме. Состояние газа в рабочих камерах меняется в последовательности а-с-с'-z-b-a по индикаторной диаграмме фиг.6. По оси абсцисс отложен относительный объем рабочей камеры, причем за единицу принят максимальный объем рабочей камеры, когда боковые поверхности лопастей смежных рабочих камер сомкнуты. По оси ординат отложено давление рабочего тела в рабочей камере (в МПа). Рабочий цикл начинается в точке а, в которой клапаны 6 и 7 закрываются, и начинается процесс адиабатного (в первом приближении) сжатия. По мере вращения водила 16 объем рабочей камеры уменьшается, и в точке с торцевая кромка опережающей лопасти открывает вытеснительное окно 11, давление в рабочей камере становится равным давлению в ресивере 3. Положение точки а, то есть момент закрытия клапанов 6 и 7, регулируют таким образом, чтобы в момент сообщения рабочей камеры с ресивером давление в них были равны. При дальнейшем движении объем рабочей камеры уменьшается до нуля, и рабочее тело через вытеснительное окно 11 вытесняется в жаровую трубу 13 (процесс с-с'). Давление в ресивере 3 зависит от режима работы двигателя и составляет 2...7 МПа, что соответствует степени сжатия 9...22. Объем жаровой трубы значительно превышает объем рабочего тела, вытесненного в жаровую трубу из рабочей камеры за один цикл, поэтому каждый цикловой объем рабочего тела перемещается по жаровой трубе к приемному окну в течение нескольких рабочих циклов. В рабочее тело форсункой впрыскивается углеводородное топливо (преимущественно тяжелое) и самовоспламеняется. В целом процессы горения и течения в жаровых трубах подобны таковым в газотурбинных двигателях.

При дальнейшем вращении водила лопасти размыкаются и рабочее тело перетекает в рабочую камеру через приемное окно (процесс с'-z). В точке z торцевая кромка отстающей лопасти отсекает приемное окно и рабочее тело расширяется в адиабатном (в первом приближении) процессе z-b. Процесс расширения производится до давления начала сжатия или до достижения максимального объема рабочей камеры в зависимости от режима работы. В точке b открываются выпускные и впускные клапаны и происходит процесс свободного выпуска и продувки b-а, причем объем рабочей камеры в этом процессе уменьшается. В точке а клапаны закрываются, и рабочий цикл повторяется. Описанный рабочий цикл подобен двухтактному циклу поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Часть отработавших газов отбирают в выпускном канале, подвергают охлаждению и смешивают с подаваемым во впускной канал воздухом. Рециркуляция отработавших газов обеспечивает снижение пиковой температуры рабочего тела в жаровых трубах, в результате чего снижаются выбросы NO_x. В известных поршневых двигателях внутреннего сгорания допустимая массовая доля выхлопных газов в свежем заряде при использовании рециркуляции ограничена качеством сгорания рабочей смеси. В предлагаемом двигателе процесс сгорания в жаровых трубах значительно растянут во времени, поэтому скорость горения смеси не является критичной, и степень рециркуляции можно значительно поднять, повысив тем самым ее эффективность.

В длительном тяговом режиме работы степень предварительного расширения (V_z/V_c) составляет величину от 1 (холостой ход) до приблизительно 2 (номинальный момент). Масса вытесняемого в жаровые трубы рабочего тела в процессе с-с' равна массе рабочего тела, перетекающего в рабочие камеры в процессе c'-z (за вычетом массы подведенного топлива), а увеличение объема, пропорциональное степени предварительного расширения, обеспечивается подводом тепла к рабочему телу в жаровых трубах в изобарном процессе c-z. В длительном тяговом режиме массоперенос между ресивером и жаровыми трубами отсутствует, за исключением незначительных пульсаций давления в моменты сообщения рабочих камер с жаровыми трубами.

При смещении плоскости смыкания лопастей ближе к наружной кромке вытеснительного окна степень предварительного расширения увеличивается, и индикаторная диаграмма принимает вид, представленный на фиг 7. В связи с ограничением максимальной температуры рабочего тела подведенная с топливом теплота обеспечивает отношение V_z/V_c не более 2. Если эта величина превышена, то масса рабочего тела, вытесняемая в жаровые трубы за рабочий цикл, меньше массы рабочего тела, перепускаемого в рабочие камеры. Разность массовых расходов рабочего тела компенсируется за счет притока из ресивера в жаровые трубы через отверстия 14. Давление в ресивере при работе в кратковременном тяговом режиме снижается. Динамический диапазон двигателя (отношение максимального момента кратковременного тягового режима к максимальному моменту длительного режима) составляет 3...5. Такой динамический диапазон достаточен для того, чтобы легковому автомобилю, снабженному предлагаемым двигателем, не требовалась бы коробка передач. Запас энергии для кратковременного тягового режима пропорционален объему ресивера, и для легкового автомобиля, например класса В, полной массой 1500 кг минимально необходимый запас энергии в 1 МДж достигается при объеме ресивера 0,05 м³.

При смещении плоскости смыкания лопастей в зону приемного окна степень предварительного расширения становится меньше 1, и индикаторная диаграмма принимает вид, представленный на фиг 8. Процессы на диаграмме осуществляются в последовательности а-с-с'-z-b-a, то есть работа цикла становится отрицательной, и двигатель создает тормозной момент на выходном валу. Масса рабочего тела, вытесняемая в жаровые трубы за рабочий цикл, больше массы рабочего тела, перепускаемого в рабочие камеры. Разность массовых расходов компенсируется за счет оттока рабочего тела из жаровых труб в ресивер в через отверстия 14. Давление в ресивере в режиме рекуперативного торможения увеличивается, при этом энергия торможения переходит во внутреннюю энергию газа в ресивере.

Таким образом, применение системы газоаккумуляторной рекуперации в конструкции роторно-лопастного двигателя, установленного на автомобиле, позволит снизить расход топлива в городском цикле движения, запасая энергию торможения в ресивере и отдавая ее при последующем разгоне. Применение управляемых клапанов для газообмена расширит регулировочный диапазон двигателя, а приведение рабочего цикла к двухтактному повысит удельную мощность.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам работы и устройствам работы роторно-лопастных двигателей. Изобретение позволяет повысить эффективный КПД двигателя при движении по городскому циклу, снизить токсичность отработавших газов и повысить удельную мощность. Способ работы двигателя внутреннего сгорания заключается в сжатии рабочего тела в полости сжатия, вытеснении рабочего тела в камеру сгорания, сжигании в рабочем теле топлива, перепуске из камеры сгорания в полость расширения, расширении и замене отработавших газов свежим зарядом. Причем отношение массы рабочего тела, перепущенного за рабочий цикл из полости сжатия в камеру сгорания, к массе рабочего тела, перепущенного из камеры сгорания в полость расширения, регулируют, изменяя тем самым отношение работы расширения к работе сжатия. Часть отработавших газов охлаждают и смешивают со свежим зарядом, причем массовую долю отработавших газов в свежем заряде регулируют от нуля до единицы. Двигатель для осуществления способа содержит цилиндрическую рабочую полость с двумя соосными роторами с лопастями, механизм передачи, камеру сгорания, торцевые крышки рабочей полости, систему подачи топлива. Механизм передачи выполнен в виде, по крайней мере, двух коленчатых валов, вращающихся в водиле. Каждый коленчатый вал имеет, по крайней мере, две шатунные шейки, через которые посредством шатунов коленчатый вал соединен со ступицами роторов, и, по крайней мере, один зубчатый венец, который находится в зацеплении, по меньшей мере, с одним неподвижным колесом. Замена отработавших газов в рабочих камерах свежим зарядом осуществляется через каналы, сообщающиеся с рабочей полостью и перекрываемые управляемыми клапанами. Камера сгорания выполнена в виде жаровых труб, сообщающихся с газовым ресивером. 2 н. и 12 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие рабочего тела в полости сжатия, вытеснение рабочего тела в камеру сгорания, сжигание в рабочем теле топлива, перепуск из камеры сгорания в полость расширения, расширение и замену отработавших газов свежим зарядом, отличающийся тем, что отношение массы рабочего тела, перепущенного за рабочий цикл из полости сжатия в камеру сгорания к массе рабочего тела, перепущенного из камеры сгорания в полость расширения регулируют, тем самым изменяя отношение работы расширения к работе сжатия, а часть отработавших газов охлаждают и смешивают со свежим зарядом, причем массовую долю отработавших газов в свежем заряде регулируют от нуля до единицы.2. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что замена отработавших газов свежим зарядом производится посредством выпуска и впуска.3. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что замена отработавших газов свежим зарядом производится посредством выпуска и продувки.4. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что замена отработавших газов свежим зарядом производится посредством выпуска, продувки и дозарядки.5. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрическую рабочую полость с двумя соосными роторами, каждый из которых состоит из ступицы с закрепленными на ней, по крайней мере, двумя лопастями, и разделяющими объем цилиндрической рабочей полости на рабочие камеры переменного объема, механизм передачи, обеспечивающий вращение роторов с переменными угловыми скоростями, камеру сгорания, сообщающуюся с рабочей полостью посредством вытеснительных и приемных окон, торцевые крышки рабочей полости, систему подачи топлива, отличающийся тем, что механизм передачи выполнен в виде, по крайней мере, двух коленчатых валов, вращающихся в водиле, каждый коленчатый вал имеет, по крайней мере, две шатунные шейки, через которые посредством шатунов коленчатый вал соединен со ступицами роторов, и, по крайней мере, один зубчатый венец, который находится в зацеплении, по меньшей мере, с одним неподвижным колесом, замена отработавших газов в рабочих камерах свежим зарядом осуществляется через каналы, сообщающиеся с рабочей полостью и перекрываемые управляемыми клапанами, а камера сгорания выполнена в виде жаровых труб, сообщающихся с газовым ресивером.6. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что зубчатая передача выполнена с некруглыми колесами.7. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что зубчатая передача выполнена с неподвижными колесами внутреннего зацепления.8. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что неподвижное колесо и рабочая полость имеют механизм для изменения угла поворота относительно друг друга.9. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что клапаны снабжены электромагнитным приводом.10. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что клапаны снабжены гидравлическим приводом.11. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что число пар окон, соединяющих жаровые трубы с рабочей полостью, равно числу пар лопастей.12. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что рабочие камеры сообщаются с парами окон при каждом смыкании пар лопастей.13. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что ресивер имеет тороидальную форму, а жаровые трубы находятся внутри его полости.14. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по п.5, отличающийся тем, что подачу топлива осуществляют в жаровые трубы.