СИЛОВАЯ УСТАНОВКА РОТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СРЕДСТВ НАЗЕМНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F01C1/39 F02B55/02 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, и в частности, двигателей внутреннего сгорания роторного типа, используемых в качестве силовой установки для средств наземного обслуживания общего применения (СНО ОП).

Средства наземного обслуживания общего применения воздушных судов представляют собой совокупность технических средств, обеспечивающих техническое обслуживание разных типов воздушных судов. От технической готовности СНО ОП зависят боевая готовность авиационных частей и безопасность полетов. В настоящее время ведутся активные работы по созданию силовой установки для СНО ОП, отвечающей повышенным требованиям по мобильности, автономности и надежности. К современным и перспективным силовым двигателям и установкам для СНО ОП предъявляются такие требования, как малые габариты и масса, высокий коэффициент полезного действия, широкий номенклатурный ряд по выходным мощностям, высокий уровень надежности, топливная экономичность. Конструкция двигателя внутреннего сгорания роторного типа, позволит обеспечить простоту конструкции, достаточную степень надежности, а главное соответствуют требованиям, предъявляемым к силовым установкам СНО ОП. В связи с этим в изобретении предлагается конструкция орбитального двигателя внутреннего сгорания в качестве силовой установки для СНО ОП.

Известно устройство разделительная пластина лопасти роторного двигателя внутреннего сгорания выполненная в виде прямоугольного параллепипеда, через средние точки торцевых поверхностей, перпендикулярных оси двигателя, которого выполнено сквозное отверстие, а на торцевых поверхностях, параллельных оси двигателя, выполнены пазы, отличающаяся тем, что разделительная пластина выполнена составной, состоящей из двух частей, соединенных между собой торцевыми поверхностями, перпендикулярными оси двигателя, с возможностью перемещения относительно друг друга на заданную величину b=а - A/2, где b - заданная величина перемещения двух частей разделительной пластины относительно друг друга; а - длина составной части пластины; А - ширина корпусного элемента двигателя (см. патент РФ №199656, МПК F01C 1/00, F02B 55/00, опубл. 2020.09.11. Бюл. №26).

Недостатком данной разделительной пластины лопасти роторного двигателя внутреннего сгорания является недостаточная герметичность рабочих камер из-за сложной конструкции, большого количества элементов и обусловленная существенной утечкой рабочего тела через зазоры между уплотнительными элементами разделительной пластины и поверхностями корпусного элемента двигателя, что приводит к значительному снижению его мощности.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является орбитальный двигатель внутреннего сгорания, содержащий приводной вал, выполненный в виде кривошипного или эксцентрикового вала, ротор, размещенный посредством подшипника качения или скольжения на эксцентрике приводного вала и имеющий вид круглого или многостороннего овального диска или многоугольника с выполненными первыми сквозными равноотстоящими цилиндрической формы отверстиями для установки первых шарнирных элементов, среднюю часть корпуса с выполненными вторыми сквозными равноотстоящими цилиндрической формы отверстиями для установки вторых шарнирных элементов, боковые крышки, плотно прилегающие к средней части корпуса, далее, первые и вторые сквозные отверстия имеют сквозные прорези в осевом направлении, ширина которых меньше диаметра указанных сквозных отверстий, далее, указанные боковые крышки, указанная средняя часть корпуса и указанный ротор образуют внутреннюю полость, разделенную на изолированные камеры перегородками, совершающими движение подобно лопастям и названными в дальнейшем лопастями, и в указанной внутренней полости ротор совершает круговое параллельное движение, названное орбитальным, позволяющее изменять объем каждой указанной изолированной камеры от максимальной до минимальной величины (см. патент РФ №2285126, МПК F01C 1/39, F02B 55/02, опубл. 2006.06.10. Бюл. №28). Данное устройство наиболее близко к предлагаемому техническому решению и принято за прототип.

Однако недостатком данного орбитального двигателя можно считать несовершенство его конструкции, выраженное в том, что камера сгорания двигателя выполнена полусферой, а свеча зажигания, поджигающая рабочую смесь, располагается в центре камеры. В процессе сгорания снижается эффективность сгорания, так как в данной конструкции происходит поджигание сразу всего объема топливно-воздушной смеси, при резком увеличении объема камеры сгорания в начальный период сгорания. При этом сгоревшие газы и образуемый ими фронт пламени давит на ротор сразу по всей его сферической поверхности, а сила их действия устремлена по радиусу ротора и направлена к оси, что значительно снижает плечо кривошипа, то есть силовое воздействие на основной эксцентрик, закрепленный на приводном валу. В связи с этим получается малое плечо главного элемента, воспринимающего крутящий момент. Следовательно, снижается эффективность получаемой энергии от газов необходимой для толкания ротора и, как следствие, происходит существенное снижение мощности запатентованной конструкции орбитального двигателя внутреннего сгорания.

Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение компрессии в рабочих камерах двигателя за счет дополнительной герметичности рабочих камер роторного двигателя внутреннего сгорания путем подачи масла к элементам разделительной пластины и шарнира статора для уплотнения зазоров масляной пленкой, что также исключает колебания упругого элемента разделительной пластины на высоких оборотах ротора, повышение эффективности процесса сгорания за счет уменьшения камеры сгорания путем изменения формы ротора, чем достигается разделение камеры сгорания на две подсекции А и В и поджигание топливно-воздушной смеси вначале в подсекции А, а затем фронт пламени уже распространяется на подсекцию В. В связи с этим, за счет такой формы ротора, на начальном этапе процесса сгорания получается большое плечо главного элемента (кривошипа), воспринимающего крутящий момент, что повышает мощность двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что известная конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая приводной вал, ротор, размещенный на эксцентрике приводного вала, среднюю часть корпуса, боковые крышки, плотно прилегающие к средней части корпуса и образующие внутреннюю полость, разделенную на изолированные камеры перегородками, отличающаяся тем, что ротор и внутренняя часть статора выполнены в виде многоугольника, количество граней соответствует общему количеству секций в двигателе, разделяющего камеру сгорания на две подсекции А и В, отверстие под свечу зажигания смещено в центр подсекции А, в статоре имеется магистраль подачи масла соединенная через канал подачи масла со специальной компенсационной емкостью расположенной в шарнире статора над разделительной пластиной, с одной стороны, а с другой стороны в шарнире ротора установлен упругий элемент.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемой конструкции орбитального двигателя внутреннего сгорания ротор и внутренняя часть статора выполнены в виде многоугольника, количество граней соответствует общему количеству секций в двигателе, разделяющего камеру сгорания на две подсекции А и В, отверстие под свечу зажигания смещено в центр подсекции А, в статоре имеется магистраль подачи масла соединенная через канал подачи масла со специальной компенсационной емкостью расположенной в шарнире статора над разделительной пластиной, с одной стороны, а с другой стороны в шарнире ротора установлен упругий элемент.

Согласно изобретению, повышение компрессии в рабочих камерах двигателя и повышение эффективности процесса сгорания заключается в том, что в предлагаемой конструкции орбитального двигателя внутреннего сгорания ротор и внутренняя часть статора выполнены в виде многоугольника, где количество граней соответствует общему количеству секций в двигателе. Такая форма поверхности ротора изменяет направление действия силы сгоревших газов F_газа, как на начальном этапе процесса сгорания, так и при сгорании в подсекции В и она получается больше по значению, также в результате этого увеличивается максимальное плечо главного элемента Н_кр.max (кривошипа), воспринимающего крутящий момент. Также такая форма поверхности ротора дополнительно разделяет камеру сгорания на две подсекции А и В, а отверстие под свечу зажигания смещено в центр подсекции А. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания проскакивает электрическая искра, и рабочая смесь в подсекции А воспламеняется. При этом происходит резкое нарастание давления, так как подсекция А в два раза меньше, чем рабочий объем всей секции, то есть она выполняет функцию форкамеры, что существенно увеличивает эффективность получаемой энергии от газов необходимой для толкания ротора особенно в начальный момент сгорания. Затем по мере движения ротора он отходит от внутренних стенок статора и продукты сгорания смеси выбрасываются в подсекцию В в виде горящего факела, при этом завихряя и воспламеняя оставшуюся рабочую смесь, что улучшает физический процесс сгорания. Этим достигается быстрое, надежное и полное сгорание рабочей смеси в камере сгорания, и как следствие, происходит существенное увеличение мощности орбитального двигателя внутреннего сгорания.

Повышение компрессии в рабочих камерах двигателя достигается за счет того, что в шарнире статора имеется специальная компенсационная емкость, расположенная в шарнире статора над разделительной пластиной, соединенная через канал подачи масла с магистралью подачи масла, с одной стороны, а с другой стороны в шарнире ротора установлен упругий элемент. При этом, в процессе работы двигателя масляный насос создает давление масла в специальной компенсационной емкости, в результате чего разделительная пластина прижимается к упругому элементу, находящемуся с другой ее стороны. Таким образом, специальная компенсационная емкость, выступает в роли своеобразного накопителя и работает как гидравлический демпфер, не давая упругому элементу колебаться при высоких оборотах ротора. Образующаяся масляная пленка на поверхности шарнира статора и частями разделительной пластины уплотняет зазоры в местах их сопряжения, тем самым исключая прорыв отработавших газов [см. Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: Теория моделирование и расчет процессов. Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2005. 403 с.]. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Вариант исполнения конструкции одной секции роторного двигателя внутреннего сгорания представлен на фигуре 1, где показаны: 1 - ротор; 2 - статор; 3 - свеча зажигания; 4 - магистраль подачи масла; 5 - канал подачи масла; 6 - специальная компенсационная емкость; 7 - упругий элемент; 8 - эксцентрик приводного вала; 9 - приводной вал; 10 - подшипник ротора; 11 - разделительная пластина; 12 - шарнир ротора; 13 - шарнир статора.

Типовая структура перспективного модуля СНО ОП с силовой установкой в виде орбитального двигателя внутреннего сгорания представлена на фигуре 2, где показаны: 14 - энергетический блок или силовая установка (роторный двигатель внутреннего сгорания); 15 - раздаточная коробка (универсальная); 16 - преобразователь (генератор, насос и др.).

Упругий элемент 7 предназначен для создания усилия от разделительной пластины к внутренней поверхности шарнира ротора 12. В качестве такого упругого элемента может быть использована, например, цилиндрическая пружина (см., например, http://www.detalmach.ru/lict.13.htm. Дата обращения 22.12.2021 г.).

Специальная компенсационная емкость 6, выполненная в шарнире статора 13, предназначена для накопления в ней масла под давлением, развиваемым масляным насосом. В качестве такой компенсационной емкости может быть использована конструкция, например гидрокомпенсатора (см., например, https://cars-life.org/consrtruction/ustrojstvo-i-printsip-raboty-gidrokompensatorov/. Дата обращения 22.12.2021 г.).

Магистраль подачи масла 4, выполненная в статоре и в шарнире статора, предназначена для нагнетания и накопления масла в специальной компенсационной емкости 6. В качестве такой магистрали подачи масла может быть использована, например, магистраль высокого давления (см., например, https://www.yandex.ru/search/?text=масляная+магистраль+в+двигателе&lr=193&mw=1//avto-mechanik.ru/the-device-lubrication-system-of-the-engine/#_nbsp.Дата обращения 23.12.2021 г.).

Канал подачи масла 5, соединяется с магистралью подачи масла 4, назначение понятно из названия. В качестве канала может служить отверстие диаметром 3...4 миллиметра (см., например, https://www.yandex.ru/search/?text=канал+подачи+масла+в+двигателе&lr=193 &mw=1//techautoport.ru/dvigatel/sistema-smazki/ustroystvo-i-printsip-raboty-sistemy-smazki.html. Дата обращения 23.12.2021 г.).

Заявленный орбитальный двигатель внутреннего сгорания работает аналогично прототипу, за исключением того, что в конце такта сжатия между электродами свечи зажигания 3 проскакивает электрическая искра, и рабочая смесь вначале воспламеняется в подсекции А, что существенно увеличивает эффективность получаемой энергии от газов необходимой для толкания ротора 1 особенно в начальный момент сгорания. Затем по мере движения ротора 1 он отходит от внутренних стенок статора 2 и продукты сгорания смеси выбрасываются в подсекцию В виде горящего факела, при этом завихряя и воспламеняя оставшуюся рабочую смесь, что улучшает физический процесс сгорания. Этим достигается быстрое, надежное и полное сгорание рабочей смеси в камере сгорания, и как следствие, происходит существенное увеличение мощности орбитального двигателя внутреннего сгорания. Одновременно в процессе работы двигателя масляный насос (на фигуре не показан) создает давление масла в специальной компенсационной емкости 6, в результате чего разделительная пластина прижимается к упругому элементу 7, находящемуся с другой ее стороны. Таким образом, специальная компенсационная емкость выступает в роли своеобразного накопителя и работает как гидравлический демпфер, не давая упругому элементу колебаться при высоких оборотах ротора 1. Образующаяся масляная пленка на поверхности шарнира статора 13 и частями разделительной пластины 11 уплотняет зазоры в местах их сопряжения, тем самым исключая прорыв отработавших газов.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как изготовление элементов двигателя возможно на любых специализированных предприятиях.

Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить утечку газов из рабочих камер двигателя, что обеспечивает повышение герметичности рабочих камер (повышение компрессии в рабочих камерах двигателя), повысить эффективность процесса сгорания и, как следствие, возрастание на 15…20% мощностных и экономических показателей силовых установок роторного типа при использовании на средствах наземного обслуживания общего применения.

Изобретение относится к двигателестроению. Орбитальный двигатель внутреннего сгорания содержит приводной вал (9), ротор (1), размещенный на эксцентрике (8) приводного вала (9), среднюю часть корпуса, боковые крышки, плотно прилегающие к средней части корпуса и образующие внутреннюю полость, разделенную на изолированные камеры перегородками. Ротор (1) и внутренняя часть статора (2) выполнены в виде многоугольника, количество граней соответствует общему количеству секций в двигателе, разделяющего камеру сгорания на две подсекции А и В. Отверстие под свечу (3) зажигания смещено в центр подсекции А. В статоре (2) имеется магистраль подачи масла, соединенная через канал подачи масла с компенсационной емкостью (6), расположенной в шарнире (13) статора (2) над разделительной пластиной (11), с одной стороны, а с другой стороны в шарнире (12) ротора (2) установлен упругий элемент (7). Технический результат заключается в повышении компрессии в рабочих камерах двигателя, исключение колебаний упругого элемента разделительной пластины на высоких оборотах ротора, повышение эффективности процесса сгорания. 2 ил.

Орбитальный двигатель внутреннего сгорания, содержащий приводной вал, ротор, размещенный на эксцентрике приводного вала, среднюю часть корпуса, боковые крышки, плотно прилегающие к средней части корпуса и образующие внутреннюю полость, разделенную на изолированные камеры перегородками, отличающийся тем, что ротор и внутренняя часть статора выполнены в виде многоугольника, количество граней соответствует общему количеству секций в двигателе, разделяющего камеру сгорания на две подсекции А и В, отверстие под свечу зажигания смещено в центр подсекции А, в статоре имеется магистраль подачи масла, соединенная через канал подачи масла с компенсационной емкостью, расположенной в шарнире статора над разделительной пластиной с одной стороны, а с другой стороны в шарнире ротора установлен упругий элемент.