Прямоточный роторно-компрессорный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2018 года по МПК F02B53/08 F01C11/00 

Прямоточный роторно-компрессорный двигатель внутреннего сгорания, содержащий в своем составе винтовой компрессор, прямоточную камеру сгорания и двухроторный винтовой двигатель, относится к области двигателестроения и предназначен для использования в качестве автономного привода машин и механизмов. Известен однотактный роторно-компрессорный двигатель внутреннего сгорания патент №2492336, который в действующей редакции МПК относится к рубрике под индексом F02B 53/00. Ввиду того что мощность двух роторного винтового двигателя зависит от величины давления горящих газов, поступающих в двигатель, то при использовании в камере сгорания вращающейся перегородки, несмотря на увеличение давления горящих газов перед входом в двигатель, снижается эффективность преобразования тепловой энергии в полезную механическую работу из-за необходимости дополнительного снижения давления отработанных газов в рабочем объеме двигателя с целью полной очистки камеры сгорания от оставшихся отработанных газов, что негативно отражается на КПД двигателя. Целью изобретения является создание прямоточного роторно-компрессорного двигателя внутреннего сгорания, у которого:

1. В прямоточной камере сгорания осуществляется непрерывный процесс образования, воспламенения и сжигания топливной смеси при поддержании необходимого давления горящих газов.

2. В прямоточной камере сгорания поддерживается стехиометрическое соотношение топлива и сжатого воздуха.

3. Рабочий объем двух роторного винтового двигателя увеличен по сравнению с рабочим объемом применяемого компрессора во столько раз, во сколько раз температура горящих газов в камере сгорания выше температуры воздуха поступающего в камеру сгорания.

4. Форма и объем камеры сгорания в первую очередь выбирается в зависимости от требования условий, необходимых для оптимального сжигания топлива в сжатом воздухе.

5. Количество полезной работы,совершаемой двухроторным винтовым двигателем, зависит от разности между температурой горения топливной смеси в камере сгорания и температурой отработанных газов, выходящих из двухроторного винтового двигателя в атмосферу.

6. Запуск и рабочий ход двигателя осуществляется путем подачи сжатого воздуха из ресивера в камеру сгорания с одновременным впрыском топлива из форсунки на свечу зажигания, расположенную внутри камеры сгорания.

7. Рабочий ход в каждой канавке длится в течение полного оборота роторов двигателя.

8. Повышена температура горения топливной смеси и степень расширения горящих газов.

9. Снижен уровень звукового давления отработанных газов и повышен КПД двигателя.

Поставленная цель достигается за счет того, что:

1. В прямоточной камере сгорания, частично входящей в рабочий объем винтового многозаходного двух роторного двигателя, осуществляется непрерывный процесс образования, воспламенения и сжигания топливной смеси при поддержании необходимого рабочего давления горящих газов.

2. В камере сгорания поддерживается стехиометрическое соотношение топлива и сжатого воздуха.

3. С целью увеличения мощности рабочий объем двух роторного винтового двигателя увеличен по сравнению с рабочим объемом применяемого компрессора во столько раз, во сколько раз температура горящих газов в камере сгорания выше температуры сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания.

4. Форма, объем и конструкция камеры сгорания в первую очередь подбирается в зависимости от условий, необходимых для создания оптимального процесса сжигания топлива при непрерывной подаче сжатого воздуха и топлива в прямоточную камеру сгорания.

5. Количество полезной работы, совершаемой двухроторным винтовым двигателем, зависит от разности между температурой горящих газов и температурой отработанных газов, величина которой снижается при выходе из выпускного канала до температуры окружающей среды.

6. Запуск и рабочий ход роторно-компрессорного ДВС осуществляется путем подачи сжатого воздуха из ресивера в прямоточную камеру сгорания с одновременным впрыском топлива из форсунок и воспламенением образующейся топливной смеси от свечи зажигания встроенных в корпус камеры сгорания, при этом рабочий ход в двигателе идет в течение полного оборота роторов и состоит из двух стадий, в которых непрерывно совершается полезная работа.

7. Температура горения топливной смеси повышена за счет отсутствия принудительной системы охлаждения, а степень расширения горящих газов повышена за счет многократного увеличения рабочего объема двухроторного винтового двигателя по отношению к рабочему объему компрессора и прямоточной камеры сгорания.

8. Мощность и крутящий момент на выходном валу прямоточного роторно-компрессорного ДВС можно изменять за счет вариатора значительно меньшей мощности, при установке в трансмиссии между компрессором и винтовым двухроторным двигателем.

9. Снижение уровня звукового давления отработанных газов и повышение КПД двигателя достигается путем увеличения степени расширения горящих газов, выходящих из выпускного канала двигателя, за счет повышения температуры горящих газов и за счет отсутствия принудительного охлаждения корпуса винтового двухроторного двигателя. Технический результат достигнут за счет создания прямоточного роторно-компрессорного ДВС с прямоточной камерой сгорания, в объем которой входит часть рабочего пространства винтового многозаходного двухроторного двигателя, имеющего увеличенный рабочий объем по отношению к рабочему объему компрессора, используемого для сжатия воздуха, и регулирования рабочего давлении горящих газов в камере сгорания, при этом достигается возможность преобразования тепловой энергии сгоревшего топлива в полезную механическую работу за счет объемного расширения горящих газов, поступающих непосредственно внутрь рабочего объема винтового двух роторного двигателя, в котором в течение одного оборота многозаходных винтовых роторов, смещаясь относительно друг друга в зависимости от числа заходов, в каждой канавке непрерывно за две стадии осуществляются рабочие ходы, при этом на первой стадии совершается полезная работа за счет силы давления горящих газов, действующих на рабочие поверхности роторов в процессе частичного заполнения рабочего объема двигателя, а на второй основной стадии рабочего хода совершается полезная работа за счет расширения горячих газов внутри герметично замкнутого рабочего объема двигателя. При этом путем регулирования скорости вращения приводного вала компрессора с помощью вариатора, установленного в трансмиссии, соединяющей компрессор с винтовым двухроторным двигателем, достигается возможность регулирования давления горящих газов в камере сгорания и крутящего момента на выходном валу винтового двух роторного двигателя, передающего значительно большую мощность по сравнению с потребляемой мощностью компрессора, в результате чего в роторно-компрессорном двигателе внутреннего сгорания обеспечивается преобразование тепловой энергии в полезную работу в условиях достижения максимально температуры горения топливной смеси, при увеличенной степени расширения горящих газов, 100% очистке рабочего объема двигателя от отработанных газов путем их выталкивания обратной стороной зубъев через выпускной канал в атмосферу и поддержания стехиометрического соотношения топлива и воздуха в камере сгорания на любых режимах работы двигателя, что в совокупности становится основной причиной значительного повышения величины КПД преобразования тепловой энергии в полезную механическую работу в прямоточном роторно-компрессорном ДВС с возможностью плавного изменения величины крутящего момента на выходном валу двигателя.

Конструкция и принцип работы прямоточного роторно-компрессорного ДВС, содержащего в своем составе винтовой компрессор 3, соединенный при помощи варатора 7 с винтовым многозаходным двухроторным двигателем внутреннего сгорания 2, имеющим камеру сгорания 4, поясняются рисунком. Винтовой компрессор 3 за счет мощности отбираемой от винтового двухроторного двигателя 2 обеспечивает сжатым воздухом процесс непрерывного сгорания топлива в прямоточной камере сгорания 4, частично входящей в рабочий объем винтового многозаходного двухроторного двигателя, который имеет увеличенный рабочий объем по сравнению с рабочим объемом компрессора, применяемого для сжатия воздуха, при этом понижая или повышая скорость вращения приводного вала компрессора, достигается изменение давления горящих газов в прямоточной камере сгорания. Запуск и рабочий ход двигателя осуществляется путем подачи сжатого воздуха из ресивера в камеру сгорания с одновременным впрыском топлива из форсунок 5 и воспламенением образующейся топливной смеси от встроенной в корпусе двигателя свечи зажигания 6. В течение одного оборота многозаходных винтовых роторов 1, смещаясь относительно друг друга в зависимости от числа заходов, в каждой канавке осуществляются рабочие хода, состоящие из двух стадий. В первой стадии рабочего хода полезная работа совершается за счет давления горящих газов, входящих в рабочий объем двигателя через торцы канавок, вращающихся через постоянно открытую площадь сечения впускного канала, а в течение второй стадии рабочий ход продолжается за счет расширения горячих газов, поступающих внутрь герметично замкнутого рабочего объема двигателя, при этом для управления скоростью вращения приводного вала компрессора и регулирования величины крутящего момента на выходном валу двигателя требуется вариатор со значительно меньшей мощностью по сравнению с мощностью развиваемой прямоточным роторно-компрессорным ДВС. При установившемся режиме горения топливной смеси в камере сгорания система зажигания автоматически отключается, а процесс горения поддерживается за счет поступления свежих порций горючей смеси, которые воспламеняются от высокой температуры рабочих поверхностей двигателя. Рабочие поверхности роторов и стенки корпуса изготавливаются или имеют покрытия из жаростойких материалов. Снижение мощности и выключение двигателя достигается плавным переводом компрессора на холостой режим работы или прекращением подачи топлива в камеру сгорания.

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит винтовой компрессор, соединенный при помощи вариатора с винтовым многозаходным двухроторным двигателем внутреннего сгорания, имеющим камеру сгорания. Винтовой компрессор за счет мощности, отбираемой от винтового двухроторного двигателя, обеспечивает сжатым воздухом прямоточную камеру сгорания для обеспечения процесса непрерывного сгорания топлива. За счет изменения скорости вращения приводного вала компрессора достигается изменение давления горящих газов в прямоточной камере сгорания. Запуск и рабочий ход двигателя осуществляется путем подачи сжатого воздуха из ресивера в камеру сгорания с одновременным впрыском топлива из форсунок и воспламенением образующейся топливной смеси от встроенной в корпусе двигателя свечи зажигания. При установившемся режиме горения топливной смеси в камере сгорания система зажигания автоматически отключается, а процесс горения поддерживается за счет поступления свежих порций горючей смеси, которые воспламеняются от высокой температуры рабочих поверхностей двигателя. Рабочие поверхности роторов и стенки корпуса изготавливаются или имеют покрытия из жаростойких материалов. Снижение мощности и выключение двигателя достигается плавным переводом компрессора на холостой режим работы или прекращением подачи топлива в камеру сгорания. 1 ил.

Прямоточный роторно-компрессорный двигатель внутреннего сгорания, содержащий в своем составе винтовой компрессор, камеру сгорания и двухроторный винтовой двигатель, отличающийся тем, что за счет создания прямоточной камеры сгорания и соединения двухроторного винтового двигателя с компрессором через вариатор, который используется для управления скоростью вращения приводного вала компрессора и регулирования рабочего давления газов в прямоточной камере сгорания, обеспечивается возможность осуществления плавного изменения величины крутящего момента на выходном валу двигателя за счет объемного расширения горящих газов, поступающих из камеры сгорания внутрь герметично замкнутого рабочего объема прямоточного роторно-компрессорного двигателя, при этом поддерживается стехиометрическое сжигание топлива в воздухе прямоточной камеры сгорания на любых режимах работы двигателя.