РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F02B53/08 F01C1/356 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности двигателям роторным внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве привода в различных машинах, энергетических установках, автомобилях, летательных аппаратах, судостроении и других отраслях, связанных с использованием силовых установок. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что роторный двигатель состоит из цилиндрического статора, в приведенном примере разделенного на две поперечные рабочие зоны (но в зависимости от необходимой мощности, габаритов и назначения может состоять из оптимального их количества), и концентрически расположенных в рабочих зонах на одном валу двух роторов, один из которых "первый", имеющий специальную конфигурацию, "второй" - отличную от "первого". В "первой" рабочей зоне происходят процессы всасывания, сжатия горючей смеси и подачи ее на форсунки второго контура второй рабочей зоны. Во второй рабочей зоне происходит воспламенение горючей смеси, рабочий ход ротора и выхлоп отработанных газов.

Описание изобретения

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ 2203430 от 2003.04.27, состоящий из корпуса статора с внутренней цилиндрической поверхностью и с камерой сгорания, ротора с профилированной внешней поверхностью и одним выступом сопряжения с рабочей поверхностью статора, трех компрессионных заслонок (в т.ч. двух на входе и выходе камеры сгорания и третьей диаметрально противоположной между выхлопным и всасывающими коллекторами), установленных в пазах статора с возможностью контакта с профилированной внешней поверхностью ротора для образования полостей всаса и сжатия.

Недостатками данного двигателя являются

- процесс всасывания топливной смеси происходит на целый оборот ротора раньше ее подачи в камеру сгорания, что сопряжено с ее оседанием на стенки камеры всасывания и, как результат, снижение эффективности работы двигателя;

- в описании не указано, что удерживает заслонку на входе в камеру сгорания в открытом положении в период нагнетания горючей смеси в нее и что удерживает заслонку на выходе из камеры сгорания в открытом положении в период рабочего хода ротора;

- наличие двух из трех заслонок без указания метода их работы подразумевает необходимость исполнения систем, управляющих ими, что сопряжено с организацией сложных кинематических или газовых систем. Если попытаться определить коэффициент использования общей рабочей поверхности двигателя к поверхности рабочего хода за один полный оборот вала, то в данном случае он близок к величине 0,5. При этом показателем эффективности также может быть соотношение поверхности рабочего хода к компрессионному ходу приготовления горючей смеси, который равен 1,0.

Также известен роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ 2196905 от 2003.01.20, отличающийся от предыдущего:

- цикличностью работы приведенных в нем моделей;

- введением дополнительного числа подвижных заслонок;

- введением значительного числа впускных, выпускных и перепускных клапанов.

Анализ конструкции данного двигателя показывает:

- камера сгорания, которая должна быть единой неотъемлемой частью двигательного контура (объема расширения взрыва горючей смеси - особенно в начальный период), в данном двигателе отделена от него мало окном, так еще с выпускным клапаном, работающим постоянно во взрывных условиях, который через себя должен пропускать начальную фазу взрыва в основной двигательный объем, что сопряжено со значительной вероятностью его поломок и снижением мощности двигателя;

- двигатель обременен сложными кинематическими схемами управления множеством заслонок, впускных, выпускных и перепускных клапанов, в том числе с участием электродвигателей. Представляется, что надежная работа всей этой сложности трудно гарантируема;

- коэффициент соотношения использования общей рабочей поверхности двигателя к поверхности рабочего хода за один полный оборот вала в самой эффективной модели данного патента равен 1,0;

- коэффициент соотношения поверхности рабочего хода к компрессионному ходу приготовления горючей смеси равен 1,0.

Наиболее близким к предлагаемому по начальной идее является роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2161708 от 10.01.2001, содержащий корпус (статор) с внутренней цилиндрической поверхностью, с камерой сгорания на боковой поверхности, ротор с профилированной внешней поверхностью и две радиальные заслонки, установленные в пазах корпуса с возможностью контакта с профилированной внешней поверхностью ротора для образования полости сжатия горючей смеси и полости расширения продуктов сгорания с переменными рабочими объемами - прототип.

Недостатком известного двигателя является то, что сжимаемая горючая смесь, поступая в камеру "сжатой горючей смеси" через перепускной клапан, на входе в камеру не сможет там быть в сжатом состоянии, а тут же начнет переливаться через выпускное окно в пространство рабочего хода после заслонки, так как в патенте совершенно не оговорены и не предусмотрены условия, обеспечивающие закрытие окна выступом ротора. В связи с чем реально будет только перетекание горючей смеси в пространство рабочего хода, свободное воспламенение, совершенно неполное сгорание и все это в "догонку" уходящему выступу ротора вплоть до выпускного окна. В таких условиях возможность работы двигателя сомнительна.

О каких-либо иных особенностях камеры сгорания, месте нахождения выпускного окна камеры сгорания, конфигурации ротора в патенте нет никаких оговорок.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в устранении вышеотмеченных недостатков двигателей аналогов и прототипа, а также на повышение эффективности и дальнейшее усовершенствование технологии работы роторных двигателей внутреннего сгорания:

- по возможности избежать излишнего количества заслонок, клапанов и особенно сложных систем их управления;

- обеспечить технологическое единство камеры сгорания с двигательным объемом рабочего хода;

- обеспечить исполнение классического требования ДВС о воспламенении горючей смеси "до ВМТ".

Указанный перечень технических результатов и усовершенствований технологии работы роторных двигателей достигается тем, что предлагаемый роторный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндрического статора, разделенного на поперечные рабочие зоны с внутренней рабочей поверхностью правильной окружности, с размещенными в статоре радиально подпружиненными плашками, с концентрически расположенными в рабочих зонах на одном валу роторами, согласно изобретению имеет две рабочие зоны и два ротора, первый из которых с тремя рабочими выступами и второй также с тремя рабочими выступами, но отличной от первого конфигурацией, рабочие зоны статора разделены каждый на три участка под углом 120 град. Двигатель может иметь первую рабочую зону, в статоре которой три компрессионных плашки, три компрессионных камеры, три окна всаса воздуха, три электромагнитные форсунки первого контура, три места подключения электромагнитных форсунок второго контура. Двигатель может иметь вторую рабочую зону, в статоре которой три компрессионных плашки, три камеры сгорания, три электромагнитных форсунки второго контура, три средства зажигания, три объемные камеры рабочего хода расчетной величины, три окна выхлопа продуктов сгорания. Статор второй рабочей зоны может быть смещен по отношению к первому. Двигатель может иметь ротор второй рабочей зоны с тремя рабочими выступами, обеспечивающими своевременное перекрытие камер сгорания, сжатие горючей смеси и ее воспламенение. Процессы всаса, приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания могут быть выделены в отдельную рабочую зону, а процессы воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа выделены в другую рабочую зону. Камеры сгорания, расположенные в корпусе статора, являются неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделены. Двигатель может иметь два контура электромагнитных форсунок (6 шт.) - первый контур электромагнитных форсунок (3 шт.), обеспечивающих подачу горючего в компрессионное пространство приготовления горючей смеси, второй контур электромагнитных форсунок (3 шт.), обеспечивающих подачу горючей смеси в камеры сгорания. Электромагнитные форсунки второго контура могут быть отрегулированы на работу с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания после ее перекрытия рабочим выступом ротора второй рабочей зоны.

Первая рабочая зона статора (Фиг.1) - это цилиндр с внутренней поверхностью правильной окружности, которая является рабочей, при этом она разделена на три равных участка под 120 град., на каждом из которых размещены:

- патрубок забора воздуха;

- гнездо установки электромагнитной форсунки первого контура;

- патрубок подключения электромагнитной форсунки второго контура;

- подпружиненная компрессионная плашка.

В статоре первой рабочей зоны концентрически расположен ротор с посадкой на общий рабочий вал, имеющий три выступа со скругленными углами, радиус закругления которых равен радиусу рабочей поверхности цилиндра статора. Рабочей поверхностью ротора является внешняя поверхность. Угловая протяженность "В" закругления выступов ротора является расчетной исходя из требования обеспечения необходимого углового совпадения поверхности выступа ротора с окружностью статора, а рабочие грани между выступами могут быть от выпуклых до вогнутых в зависимости от мощности, назначения и габаритов двигателя в соответствии с необходимым расчетным объемом компрессионного пространства.

Вторая рабочая зона статора (Фиг.2) с цилиндрически правильной окружностью внутренней поверхности разделена на три равных участка под 120 град., на каждом из которых размещены:

- подпружиненные компрессионные плашки под углом 120 градусов;

- камеры сгорания расчетного объема с электромагнитными форсунками второго контура, средствами зажигания горючей смеси;

- выхлопной патрубок отработавших газов.

Ротор второй рабочей зоны размещен на одном валу с ротором первой рабочей зоны, имеет три вершины и разделен на три участка, имеющих специальную расчетно-объемную конфигурацию, которая должна обеспечить наиболее эффективный рабочий ход ротора. Вершины ротора имеют расчетную протяженность, совпадающую по радиусу закругления с внутренней окружностью статора, и должны обеспечить на расчетный угол "d" перекрытие камеры сгорания на период, необходимый для заполнения камеры сгорания горючей смесью, создания необходимого ее сжатия и для осуществления зажигания с опережением на необходимый угол "С" от В.М.Т.

Сущность изобретения поясняется чертежами с указанием основных частей, из которых состоит роторный двигатель внутреннего сгорания.

Фиг.1 - первая рабочая зона роторного двигателя "в положении завершения сжатия горючей смеси в камере сгорания":

1 - статор, 2 - ротор, 3 - выступ ротора 2, 4 - компрессионная камера всаса и сжатия, 5 - компрессионная плашка в пазу статора, 6 - окно всаса воздуха, 7 - гнездо установки электромагнитной форсунки первого контура, 8 - место подключения форсунки второго контура, угол "В" - расчетное необходимое угловое совпадение поверхности выступа ротора с окружностью статора, угол "А" - расчетный угол размещения места подключения форсунки второго контура и величина смещения второго статора против хода по отношению к первому.

Фиг.- 2 - вторая рабочая зона роторного двигателя "в положении завершения рабочего хода, сжатия горючей смеси в камере сгорания - момент зажигания":

1 - статор, 9 - ротор крайней рабочей зоны, 10 - объемная камера рабочего хода и выхлопа отработавших газов, 11 - выступ ротора 9, 12 - компрессионная плашка в пазу статора, 13 - камера сгорания горючей смеси, 14 - гнездо установки электромагнитной форсунки второго контура в камере сгорания, 15 - гнездо установки средства зажигания в камере сгорания, 16 - окно выхлопа продуктов сгорания горючей смеси, угол "d" - расчетный угол перекрытия камеры сгорания, угол "С" - расчетный угол опережения зажигания от ВМТ.

Принцип работы предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания. Ротор 2, размещенный в корпусе статора 1 первой рабочей зоны (Фиг.1), совершая вращательное движение по ходу стрелки и при этом взаимодействуя своими выступами 3 с рабочей поверхностью статора 1, создает в компрессионных камерах 4 зоны всаса и зоны сжатия до себя и перед собой по ходу вращения через каждые 120 град. оборота вала, образуемые поверхностями статора, ротора и подпружиненными компрессионными плашками 5. При этом в зоне всаса после себя выступ 3 ротора 2 осуществляет всас воздуха через всасывающее окно 6, одновременно струя воздуха подхватывает впрыснутую электромагнитной форсункой первого контура порцию горючего, которое, взаимодействуя с высокой температурой компрессионной камеры 4, испаряется. Одновременно в зоне сжатия перед собой выступ ротора 3 осуществляет сжатие образовавшейся горючей смеси и через место подключения форсунки второго контура 8 направляет горючую смесь через форсунку второго контура в камеру сгорания 13 (Фиг.2). Необходимо отметить, что электромагнитная форсунка второго контура отрегулирована на осуществление подачи горючей смеси в камеру сгорания 13 с задержкой до полного перекрытия камеры сгорания 13 выступом ротора второй рабочей зоны 11, после чего горючая смесь, поступая в камеру сгорания, дожимается до расчетной степени сжатия продолжающим вращение выступом 3 ротора 2 первой рабочей зоны до полного перекрытия им места подключения форсунки второго контура в первой рабочей зоне. После этого происходит воспламенение горючей смеси в камере сгорания 13 средством зажигания 15 с опережением на расчетный угол "С" - до ВМТ. При дальнейшем движении выступа 11 ротора 9 второй рабочей зоны начинает образовываться объемная камера рабочего хода между поверхностями статора 1, ротора 9, подпружиненной компрессионной плашкой 12 и камерой сгорания 13 с последующим ее ростом до поворота ротора 9 на 120 град. и до прохождения выступом 11 ротора 9 окна выхлопа продуктов сгорания 16. При этом осуществился рабочий ход ротора на 120 град.

Следует отметить, что электромагнитные форсунки первого контура и второго должны иметь существенные конструктивные различия, т.к., если первые обеспечивают впрыск незначительного объема горючего, то вторые должны обеспечить впрыск горючей смеси за короткий промежуток времени более значительного объема.

Исходя из того, что сущность заявленного решения на данный период не раскрыта в патентной и другой литературе, заявляемое решение соответствует критерию " новизна".

Заявляемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как оно характеризуется новой для роторных двигателей совокупностью существенных признаков, таких как:

- выделение в отдельный рабочий объем (зону) процессов всаса и приготовление горючей смеси, сжатия и нагнетания (первая рабочая зона);

- выделение в отдельный рабочий объем (зону) процессов воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа (вторая рабочая зона);

- расположение камеры сгорания в корпусе статора таким образом, что она является неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделена;

- наличие двух контуров электромагнитных форсунок для обеспечения подачи горючего в компрессионное пространство первым контуром и обеспечение подачи горючей смеси в камеру сгорания вторым контуром;

- регулировка электромагнитных форсунок второго контура осуществлена с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания на расчетную величину, необходимую для осуществления ее перекрытия рабочим выступом ротора второй рабочей зоны;

- наличие указанного количества вершин роторов первой и второй рабочих зон специальной конфигурации (приведенных на Фиг.1 и 2).

Об эффективности предлагаемого решения можно судить по коэффициенту соотношения использования общей рабочей поверхности двигателя к поверхности рабочего хода за один полный оборот вала, равный в заявленном двигателе 1,5, при 1,0 в известных.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить эффективности работы, упростить конструкцию и усовершенствовать работу роторных двигателей. Роторный двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндрического статора, разделенного на поперечные рабочие зоны с внутренней рабочей поверхностью правильной окружности, с размещенными в статоре радиально подпружиненными плашками, с концентрически расположенными в рабочих зонах на одном валу роторами. Двигатель имеет две рабочие зоны и два ротора, первый из которых с тремя рабочими выступами и второй также с тремя рабочими выступами, но отличной от первого конфигурацией, рабочие зоны статора разделены каждый на три участка под углом 120 град. Двигатель имеет первую рабочую зону, в статоре которой три компрессионных плашки, три компрессионных камеры, три окна всаса воздуха, три электромагнитные форсунки первого контура, три места подключения электромагнитных форсунок второго контура. Двигатель имеет вторую рабочую зону, в статоре которой три компрессионных плашки, три камеры сгорания, три электромагнитные форсунки второго контура, три средства зажигания, три объемные камеры рабочего хода расчетной величины, три окна выхлопа продуктов сгорания. Статор второй рабочей зоны смещен по отношению к первому. Двигатель имеет ротор второй рабочей зоны с тремя рабочими выступами, обеспечивающими своевременное перекрытие камер сгорания, сжатие горючей смеси и ее воспламенение. Процессы всаса, приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания выделены в отдельную рабочую зону, а процессы воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа выделены в другую рабочую зону. Камеры сгорания, расположенные в корпусе статора, являются неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделены. Двигатель имеет два контура электромагнитных форсунок (6 шт.) - первый контур электромагнитных форсунок (3 шт.), обеспечивающих подачу горючего в компрессионное пространство приготовления горючей смеси, второй контур электромагнитных форсунок (3 шт.), обеспечивающих подачу горючей смеси в камеры сгорания. Электромагнитные форсунки второго контура отрегулированы на работу с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания после ее перекрытия рабочим выступом ротора второй рабочей зоны. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндрического статора, разделенного на поперечные рабочие зоны с внутренней рабочей поверхностью правильной окружности, с размещенными в статоре радиально подпружиненными компрессионными плашками, с концентрически расположенными в рабочих зонах на одном валу роторами, отличающийся тем, что имеет две рабочие зоны и два ротора, первый из которых с тремя рабочими выступами и второй также с тремя рабочими выступами, но отличной от первого конфигурацией, рабочие зоны статора разделены каждый на три участка под углом 120°.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет первую рабочую зону, в статоре которой три компрессионных плашки, три компрессионных камеры, три окна всаса воздуха, три электромагнитные форсунки первого контура, три места подключения электромагнитных форсунок второго контура.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет вторую рабочую зону, в статоре которой три компрессионных плашки, три камеры сгорания, три электромагнитных форсунки второго контура, три средства зажигания, три объемные камеры рабочего хода расчетной величины, три окна выхлопа продуктов сгорания.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что статор второй рабочей зоны смещен по отношению к первому.5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет ротор второй рабочей зоны с тремя рабочими выступами, обеспечивающими своевременное перекрытие камер сгорания, сжатие горючей смеси и ее воспламенение.6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что процессы всаса, приготовления горючей смеси, сжатия и нагнетания выделены в отдельную рабочую зону, а процессы воспламенения горючей смеси, рабочего хода и выхлопа выделены в другую рабочую зону.7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камеры сгорания, расположенные в корпусе статора, являются неотъемлемой частью объема рабочего хода и ничем от него не отделены.8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель имеет два контура электромагнитных форсунок (6 шт.): первый контур электромагнитных форсунок (3 шт.), обеспечивающих подачу горючего в компрессионное пространство приготовления горючей смеси, второй контур электромагнитных форсунок (3 шт.), обеспечивающих подачу горючей смеси в камеры сгорания.9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные форсунки второго контура отрегулированы на работу с задержкой впрыска горючей смеси в камеру сгорания после ее перекрытия рабочим выступом ротора второй рабочей зоны.