СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК F02B53/00 F02D15/00 F01C1/344 F01C20/22 

Область техники

Изобретение относится к двигателестроению. В частности, к системам регулирования степени сжатия рабочего тела в основном рабочем механизме двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

В результате анализа уровня техники изобретений выявлены следующие аналоги и прототип. Известно роторно-пластинчатое устройство которое может быть использовано как двигатель внутреннего сгорания с любой воздушно-газовой смесью и описанное в патенте (Патент RU 2 541 059 C1 «Роторно-пластинчатое устройство» опубл.: 10.02.2015, МПК F01C 1/344) и содержащее статор, боковые крышки с пазом, расположенный в статоре ротор с радиальными пазами и рабочими пластинами в них, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения и контакта своими верхними частями с внутренней поверхностью статора, причем каждая пластина выполнена с выступами в торцевой части, контактирующими с пазом крышек, отличающееся тем, что статор выполнен цилиндрической формы, паз в боковых крышках выполнен кольцевым, повторяющим форму внутренней цилиндрической поверхности статора и обеспечивающим угловое перемещение верхней части пластины в постоянном контакте с внутренней поверхностью статора, при этом ротор расположен со смещением к стенке корпуса с образованием камер неодинакового объема, в валу ротора с обоих концов выполнены несквозные осевые отверстия с образованием впускной и выпускной частей вала ротора, имеющие выход в пазы ротора, а на нижней части пластин выполнены углубления для входа и выхода рабочей среды из камеры.

Также известен ротационно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания описанный в патенте (Патент RU 2 059 077 C1 «Ротационно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания» опубл.: 27.04.1996, МПК F 01 C 1/344, F 02 B 53/00) и содержащий цилиндрический корпус с торцевыми крышками и впускным и выпускным окнами, выполненными в первой и четвертой четвертях рабочей полости соответственно и сообщенными с одноименными патрубками, эксцентрично установленный в корпусе ротор с пластинами и узел подачи топлива со свечой зажигания, впускное отверстие которого расположено в третьей четверти рабочей полости, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде элементов угольного сечения, соединенных по торцам дисками с образованием крестообразного паза под пластины.

Также известна полезная модель роторно-лопастного двигателя описанная в патенте (полезная модель к патенту RU 144 058 U1 «Роторно-лопастной двигатель» опубл.: 10.08.2014, МПК F01C 1/00) содержащая по крайней мере, одну секцию, состоящую из корпуса с торцевыми крышками и ротора с валом, отличающаяся тем, что корпус в своей внутренней части образует цилиндр, содержащий, по крайней мере, один "рабочий" сектор и, по крайней мере, две выемки: всасывающую и выхлопную, расположенных друг за другом, а ротор разделен пазами, по крайней мере, на три равных сектора, в которых расположены лопасти.

Общим недостатком приведенных аналогов является отсутствие либо принципиальная невозможность регулирования степени сжатия свежего заряда топливно-воздушной смеси в зависимости от различных внешних и внутренних факторов. А соответственно отсутствует возможность, позволяющая адаптировать рабочий процесс двигателя и обеспечить оптимальный КПД при гарантированном отсутствии детонации.

Наиболее близким к реализации возможности динамического изменения степени сжатия является эллиптический роторный двигатель, описанный в патенте US6776136B1 «Еlliptical rotary engine» (Эллиптический роторный двигатель) опубл. 17.08.2004 г., МПК F01C21/0872, содержащий цилиндрический роторный элемент, вращающийся внутри эллиптического корпуса. Множество поршневых лопаток, расположенных внутри роторного элемента, совершают возвратно-поступательное движение внутри поршневых каналов и частично выходят за их пределы и прижимаются к внутренней стенке эллиптического корпуса давлением масла, подаваемым в поршневой канал. Уплотнения с выпуклыми вершинами, проходящими по длине концов поршневых лопаток и качающимися при прохождении двигателем своего цикла, чтобы соответствовать кривизне внутренней поверхности корпуса и обеспечивать надежное уплотнение.

В такой системе реализуется неизменный рабочий цикл, заранее заданный размерами внутреннего профиля рабочей камеры, размерами и положением роторного элемента внутри рабочей камеры, а также размерами, количеством и расположением других более мелких элементов.

Недостатком данной системы является отсутствие опорных устройств, расположенных в боковых крышках корпуса и позволяющих изменять положение роторного элемента внутри рабочей камеры с целью изменения объема камеры сгорания, а соответственно степени сжатия и связанных с ней параметров рабочего термодинамического цикла двигателя, получения его оптимальных показателей для конкретных текущих условий эксплуатации, определяемых внешними и внутренними факторами.

Задача изобретения состоит в создании способа повышения эффективности роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Техническим результатом является повышение значений коэффициента полезного действия, удельных мощностных и топливно-экономических показателей двигателя и предотвращение детонации свежего заряда в камере сгорания, за счет автоматического динамического регулирования степени сжатия в зависимости от изменяющихся условий его работы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ автоматического регулирования степени сжатия роторно-пластинчатого двигателя состоит в том, что механизм смещения вала ротора при помощи управляющего устройства обеспечивает смещение вала ротора вдоль малой оси эллиптической камеры, при этом управляющее устройство при помощи датчиков непрерывно получает сигнал об актуальных величинах параметров антидетонационных свойств моторного топлива, степени нагрузки на двигатель, давления и температуры воздуха во впускном трубопроводе, проводит последующую обработку полученной информации и непрерывно передает сигнал о необходимости смещения вала ротора механизму его смещения, обеспечивая изменение объема зоны воспламенения, ограниченной внешней поверхностью ротора, внутренней поверхностью эллиптической камеры и прижимающимися к ней пластинами, расположенными в радиальных каналах ротора, тем самым обеспечивая максимально возможную степень сжатия без детонации для текущих условий работы двигателя.

Механизм регулирования смещения вала ротора в частном варианте исполнения изобретения представляет собой две подшипниковые опоры, имеющие возможность перемещения вдоль малой оси эллиптической камеры, синхронизированные по величине и направлению перемещения. Само перемещение осуществляется за счет силового воздействия со стороны привода перемещения, который может быть выполнен в виде гидравлического либо механического силового устройства, например, актуатора. Вариантов исполнения привода может быть множество, например, гидроцилиндр, эксцентрик, зубчатая рейка и т.д. Специалист в данной области техники может использовать любую подходящую конструкцию.

Используемые датчики представлены группой датчиков температуры, давления, датчик положения дроссельной заслонки и датчик детонации. Сигналы о показателях каждого датчика поступают в управляющее устройство.

Принцип регулирования степени сжатия заключается в том, что механизм смещения вала ротора реагируя на сигнал управляющего устройства осуществляет механическое перемещение вала ротора вдоль малой оси эллиптической камеры. Если по результатам расчета и коррекции с учетом обратной связи, блок управления «решает» что текущая степень сжатия может быть увеличена, то выдает управляющий сигнал, который приводит в действие механизм таким образом, что перемещение вала ротора приводит к уменьшению объема в зоне воспламенения. Если же для конкретного момента блок управления «решает» что текущая степень сжатия слишком велика, то соответственно выдается противоположный управляющий сигнал, приводящий в итоге к увеличению объема в зоне воспламенения.

Общий принцип расчета при определении максимально допустимой степени сжатия заключается в получении значений давления и температуры конца сжатия, перед воспламенением, которые бы не превышали критических значений, за которыми возможна детонация, соответственно на эти два параметра прямопропорционально влияют количество поступающего воздуха, его начальная температура и давление. Т.е. при увеличении любого из этих трех определяющих параметров давление и температура конца сжатия будут расти, а соответственно будет расти и вероятность детонации, но так как существует еще и некоторое количество неучтенных факторов, влияние которых может как увеличивать, так и уменьшать эту вероятность, то необходима обратная связь которая позволит провести корректировку расчетного значения степени сжатия, если детонация все же возникает.

Под автоматическим понимается непрерывный и без участия оператора процесс регулирования степени сжатия за счет применения системы, включающей датчики, блок управления и механизм смещения вала ротора. Регулирование значения степени сжатия в любой момент времени происходит за счет реакции механизма смещения вала ротора на управляющее воздействие управляющего устройства, которое в свою очередь является результатом расчета по группе прямых параметров - температуры, давления внутри двигателя и положения дроссельной заслонки, и коррекции полученного значения по параметру обратной связи, измеряемого датчиком детонации. Расчет по группе прямых параметров фактически сводится к определению теоретического максимального давления и температуры свежего заряда в конце сжатия, т.е. непосредственно перед воспламенением. Существует прямая зависимость между давлением, температурой и вероятностью возникновения детонации. Однако вероятность возникновения детонации также определяется антидетонационными свойствами моторного топлива, которые в процессе работы двигателя можно оценить только по наличию либо отсутствию самой детонации, что реализуется измерением при помощи датчика детонации и используется в качестве параметра обратной связи для коррекции результатов расчета. Т.е. если расчетное значение степени сжатия, реализованное исполнительным механизмом, приводит к возникновению детонации, то это значение должно быть скорректировано пропорционально уровню сигнала с датчика детонации.

Регулирование степени сжатия позволяет обеспечить ее максимальное значение приемлемое (без детонации) для текущих условий (в конкретный момент работы двигателя). Известные формулы расчета термического КПД термодинамических циклов с изохорным, изобарным или смешанным подводом теплоты однозначно определяют повышение КПД при увеличении степени сжатия. Но чрезмерное повышение степени сжатия приведет к возникновению детонации и КПД будет падать, т.к. возникнут потери теплоты связанные с неполнотой сгорания топлива, а также возрастут механические потери энергии, связанные с увеличением упругих деформаций в деталях двигателя при воздействии на них фронта ударной волны возникающей в объеме камеры сгорания при детонации. Соответственно обеспечив максимальное приемлемое значение степени сжатия, для любых текущих условий работы двигателя, одновременно будет обеспечен и максимальный КПД.

Раскрытие изобретения

На фигурах 1 и 2 показан принцип регулирования степени сжатия в роторно-пластинчатом двигателе внутреннего сгорания за счет смещения вала ротора.

На фигуре 1 показано состояние, при котором смещение вала ротора отсутствует (равно нулю), что соответствует минимальной степени сжатия, а на фигуре 2 показано состояние, при котором реализовано максимальное смещение вала ротора, что соответствует максимальной степени сжатия.

На фигуре 3 показан роторно-пластинчатый двигатель внутреннего сгорания реализующий способ автоматического регулирования степени сжатия.

Способ автоматического регулирования степени сжатия роторно-пластинчатого двигателя внутреннего сгорания реализуется в устройстве, включающем блок управления 1, связанный с датчиком давления 4 и датчиком температуры 5, расположенными во впускном трубопроводе 22 перед дроссельной заслонкой 11, датчиком положения дроссельной заслонки 3, датчиком детонации 6 расположенным на корпусе 7 двигателя вблизи камеры сгорания 12, и канал управления механизмом изменения положения 2 ротора 8 с пластинами 10, состоящим из двух одинаковых частей, расположенных на валу 13 ротора 8 и закрепленных на внешних поверхностях торцевых крышек 9 корпуса 7 двигателя. Выпускной трубопровод для отвода отработавших газов из двигателя помечен ссылкой 23.

Порядок осуществления способа автоматического регулирования степени сжатия следующий. Блок управления 1 с заданной периодичностью через каналы связи опрашивает датчик давления 4, датчик температуры 5, датчик положения дроссельной заслонки 3 и по встроенному алгоритму определяет параметры свежего заряда во впускном трубопроводе 22 и степень загруженности двигателя, затем производит расчет оптимальной степени сжатия и формирует управляющий сигнал в канале управления механизмом изменения положения 2 ротора 8, который обеспечивает смещение вала 13 ротора 8 вдоль малой оси эллиптической камеры корпуса 7 двигателя на определенную величину в пределах допустимого диапазона ε, соответствующую текущему рассчитанному значению степени сжатия. При возникновении детонации в зоне воспламенения 12 блок управления 1 по сигналу с датчика детонации 6 поступившему по линии связи, корректирует расчетное значение степени сжатия в сторону уменьшения с учетом уровня сигнала датчика детонации 6 и формирует управляющий сигнал в канале управления механизмом изменения положения 2 ротора 8. Процесс получения информации с датчиков, расчета величины управляющего сигнала и его коррекции в случае возникновения детонации при работе двигателя происходит автоматически и непрерывно.

Заслонка 11 является необходимым элементом для ДВС с внешним смесеобразованием и количественным регулированием. Угол открытия дроссельной заслонки 11 прямо пропорционально определяет количество поступающего в двигатель свежего заряда топливно-воздушной смеси, а соответственно значение вырабатываемой двигателем мощности. С другой стороны угол открытия дроссельной заслонки 11 прямо пропорционально соответствует нагрузке на двигатель, чем сильнее нагружается двигатель, тем больше должен быть угол открытия дроссельной заслонки.

Указанное на фиг. 2 обозначение ε указывает на возможный диапазон регулируемого смещения ротора, внутри которого системой обеспечивается требуемая степень сжатия. Практически значения ε меньше 0 смысла не имеют, хотя их можно сделать и отрицательными, максимальное значение не превышает разности между длиной малой полуоси эллипса рабочей камеры 7 и радиусом ротора 8. Таким образом при ε=0 обеспечивается минимально возможное значение степени сжатия при котором детонация будет гарантировано отсутствовать при любых возможных значениях определяющих параметров, а при максимальном значении ε будет обеспечиваться максимально возможная для конкретного двигателя степень сжатия. Диапазон получаемых значений степени сжатия между крайними значениями ε должен быть несколько шире, чем диапазон реально используемых значений степени сжатия.

На фигурах 1 и 2 приведены следующие обозначения элементов: 14 - зона впуска, 15 - зона сжатия, 16 - зона воспламенения, 17 - объем камеры сгорания, 18 - зона расширения, 19 - зона выпуска, 20 - впуск свежего заряда, 21 - выпуск отработавших газов, ε - смещение ротора.

Изобретение относится к двигателестроению. Технический результат - повышение значений коэффициента полезного действия, удельных мощностных и топливно-экономических показателей двигателя и предотвращение детонации свежего заряда в камере сгорания, за счет автоматического динамического регулирования степени сжатия в зависимости от изменяющихся условий его работы. Предложен способ автоматического регулирования степени сжатия роторно-поршневого двигателя включающий перемещение вдоль малой оси эллиптической камеры двигателя вала ротора при помощи механизма его смещения, управляемого сигналами управляющего устройства. Управляющее устройство при помощи датчиков непрерывно получает сигналы об актуальных величинах параметров антидетонационных свойств моторного топлива, степени нагрузки на двигатель, давления и температуры воздуха во впускном трубопроводе, проводит последующую обработку полученной информации и непрерывно передает сигнал о необходимости смещения вала ротора механизму его смещения, обеспечивая изменение объема зоны воспламенения, ограниченной внешней поверхностью ротора, внутренней поверхностью эллиптической камеры и прижимающимися к ней пластинами, расположенными в радиальных каналах ротора, тем самым обеспечивая максимально возможную степень сжатия без детонации для текущих условий работы двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ автоматического регулирования степени сжатия роторно-поршневого двигателя включающий перемещение вдоль малой оси эллиптической камеры двигателя вала ротора при помощи механизма его смещения, управляемого сигналами управляющего устройства, при этом управляющее устройство при помощи датчиков непрерывно получает сигналы об актуальных величинах параметров антидетонационных свойств моторного топлива, степени нагрузки на двигатель, давления и температуры воздуха во впускном трубопроводе, проводит последующую обработку полученной информации и непрерывно передает сигнал о необходимости смещения вала ротора механизму его смещения, обеспечивая изменение объема зоны воспламенения, ограниченной внешней поверхностью ротора, внутренней поверхностью эллиптической камеры и прижимающимися к ней пластинами, расположенными в радиальных каналах ротора, тем самым обеспечивая максимально возможную степень сжатия без детонации для текущих условий работы двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механизм регулирования смещения вала ротора представляет собой две подшипниковые опоры, имеющие возможность перемещения вдоль малой оси эллиптической камеры, синхронизированные по величине и направлению перемещения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что датчики представляют собой группу, состоящую из датчика температуры, датчика давления, датчика положения дроссельной заслонки и датчика детонации.