Роторный двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателестроении, в частности в двигателях транспортных средств. Сущность изобретения: роторный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1, жестко скрепленные с корпусом крышки 2 с цилиндрическими выступами 3 с образованием кольцевой рабочей камеры, в которой расположены поршни 5 ротора 6. Ротор жестко скреплен с валом 7, к которому жестко крепятся профилированные диски 8 с отрицательными кулачками, установленными с возможностью воздействия на подпружиненные толкатели 10, содержащие головки 11, расположенные в направляющих 12 цилиндрических выступов крышек с возможностью радиального возвратно-поступательного движениия. К валу жестко крепится диск 13 с зубьями 14. В корпусе содержатся каналы соответственно входа, выхода, впуска и выпуска рабочей среды. К корпусу жестко крепится камера 19 сгорания с образованием полости 20 постоянного объема. В канале впуска содержится впускной клапан 22, установленный в направляющей втулке. В канале выпуска содержится выпускной клапан, расположенный в направляющей втулке. Выпускной клапан снабжен осевым каналом, сообщенным с источником охлаждающей рабочей среды посредством спиральной канавки и первого ряда радиальных отверстий. В средней части штока содержится второй ряд радиальных отверстий. В нижней части штока установлен распылитель. Между пружиной клапана и верхним торцем направляющей втулки расположено кольцо упорного подшипника. Шток выпускного клапана в верхней части снабжен шлицами, входящими в зацепление с зубьями рейки, расположенной в направляющих с возможностью смещения, пропорционального смещению рейки топливного насоса 39. 2 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано, в частности, в качестве двигателя транспортных средств.

Известен ДВС [1] с использованием кривошипно-шатунного механизма, охлаждение теплонапряженных деталей в котором (поршня, стенок цилиндра, головки цилиндра и клапанов) осуществляется путем непосредственной подачи охлаждающей рабочей среды ОРС в камеру сгорания под большим давлением.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести то обстоятельство, что топливо и ОРС подаются в одну и ту же полость (объем) переменного объема в одно и то же время, что отрицательно сказывается на процессе сгорания топлива.

В качестве прототипа выбран двигатель [2] в котором процессы всасывания-сжатия, расширения-выхлопа, а также процесс сгорания топлива происходят в трех различных полостях, периодически соединяющихся между собой.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести несовершенство конструкции механизма подачи ОРС в двигатель, не обеспечивающий охлаждение всех теплонапряженных деталей двигателя.

Вторым недостатком устройства-прототипа следует считать нерациональное использование ОРС, не учитывающей принципиальных особенностей принципа работы ДВС, что приводит к неоправданно большому количеству ОРС, подаваемому в двигатель.

Цель изобретения является снижение необходимого количества ОРС (запаса ОРС) путем конструктивных изменений механизма подачи ОРС в двигатель.

Суть изобретения заключается в следующем.

Для охлаждения теплонапряженных деталей роторного двигателя с камерой сгорания, вынесенной за пределы изменяющихся полостей всасывания-сжатия и расширения-выхлопа следует обеспечить следующие условия, необходимые для нормальной работы двигателя с "внутренней" системой охлаждения: количество ОРС, подаваемое в двигатель, должно соответствовать развиваемой двигателем мощности, т.е. соответствовать положению рейки топливного насоса; большая часть ОРС должна подаваться в полость расширения-выхлопа для охлаждения поршня и стенок цилиндра, а также для снижения температуры продуктов сгорания, в результате чего ОРС превращается в пар, при этом значительно возрастает среднее индикаторное давление цикла Pi и повышается КПД двигателя за счет добавки парциального давления пара; начало подачи ОРС в камеру сгорания должно происходить после достижения в камере сгорания максимального давления цикла Pz (желательно по достижении максимальной температуры цикла Pt, т.е. после того, когда большая часть топлива уже сгорела; окончание подачи ОРС в камеру сгорания должно происходить в момент открытия впускного клапана, при этом обеспечиваются свободное истечение продуктов сгорания топлива из камеры сгорания в полость расширения-выхлопа, а также продувка камеры сгорания от остатков продуктов сгорания (начало закрытия выпускного клапана совпадает по времени моменту открытия впускного клапана, а продувка совершается за доли градуса поворота вала двигателя); количество ОРС, поданного в камеру сгорания, должно быть распределено по объему камеры сгорания в строгом соответствии с эпюрой теплонапряженности отдельных участков корпуса камеры сгорания, т.е. большая часть ОРС должна подаваться в район расположения выпускного клапана (температура порядка 2500^оС), и меньшая в район расположения впускного клапана (температура не более 1000^оС).

Устpойство для подачи ОРС в предложенной конструкции роторного ДВС позволяет осуществить все перечисленные выше условия.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит устройство для подачи под высоким давлением ОРС в форме осевого канала, выполненного в выпускном клапане со стороны тарелки клапана. Выпускной клапан установлен в направляющей втулке с возможностью вращения в последней, угол поворота которого пропорционален смещению рейки топливного насоса двигателя. В верхней части штока содержится спиральная канавка с первым рядом радиальных отверстий. В средней части штока содержится второй ряд радиальных отверстий с возможностью периодического соединения осевого канала с камерой сгорания. Со стороны тарелки клапана в осевом канале установлен распылитель, например, в виде прессованной металлической сетки.

Направляющая втулка выпускного клапана содержит радиальное отверстие, сообщенное с одной стороны с источником ОРС, а с другой через спиральную канавку и первый ряд радиальных отверстий с осевым каналом штока.

Нижний торец направляющей втулки выполнен скошенным по отношению к оси клапана. Между верхним торцем направляющей втулки и пружиной клапана установлен упорный подшипник, наличие которого снижает вращательный момент, необходимый для поворота клапана.

Спиральная канавка штока выполнена на дуге в 360^о, что обеспечивает более точную регулировку подаваемой в двигатель ОРС в зависимости от положения рейки топливного насоса, т.е. от мощности двигателя.

При движении выпускного клапана вниз под действием давления продуктов сгорания на тарелку клапана источник ОРС посредством радиального отверстия направляющей втулки, спиральной канавки и первого ряда радиальных отверстий направляющей втулки, спиральной канавки и первого ряда радиальных отверстий штока соединяется с осевым каналом штока, что обесчивает подачу ОРС через распылитель в полость расширения-выхлопа двигателя. Затем через второй ряд радиальных отверстий ОРС поступает в камеру сгорания и распределяется по ее объему в соответствии с эпюрой теплонапряженности отдельных участков корпуса камеры сгорания благодаря скошенной торцевой поверхности направляющей втулки клапана, поскольку вначале открывается отверстие "а", затем отверстия "б" "б", "в" "в", "г" "г", "д" "д" и в последнюю очередь отверстие "е".

При движении выпускного клапана вверх закрытие указанных отверстий происходит в обратной последовательности.

Количество подаваемой ОРС зависит от момента соединения радиального отверстия направляющей втулки и спиральной канавки штока выпускного клапана.

На фиг. 1 изображен роторный ДВС, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вал с ротором, профилированные диски с отрицательными кулачками, а также диск с зубьями для создания масляного тумана, выполненные для наглядности в аксонометрии; на фиг. 4 устройство для подачи ОРС в двигатель; на фиг. 5 эпюра теплонапряженности отдельных участков корпуса камеры сгорания; на фиг. 6 разрез Б-Б со вторым рядом радиальных отверстий штока; на фиг. 7-10 представлена развертка спиральной канавки штока с первым рядом радиальных отверстий и радиальное отверстие направляющей втулки.

Роторный ДВС содержит цилиндрический корпус 1, жестко связанные с корпусом крышки 2 с цилиндрическими выступами 3 с образованием кольцевой рабочей камеры 4, в которой расположены поршни 5 ротора 6. Ротор жестко скреплен с валом 7, к которому жестко крепятся профилированные диски 8 с отрицательными кулачками 9, установленными с возможностью воздействия на подпружиненные толкатели 10, содержащие головки 11, расположенные в направляющих 12 цилиндрических выступов крышек с возможностью радиального возвратно-поступательного движения. К валу жестко крепится диск 13 с зубьями 14. В корпусе содержатся каналы входа 15 и выхода 16, а также впуска 17 и выпуска 18 рабочей среды.

К корпусу жестко крепится камера сгорания 19 с полостью постоянного объема 20, снабженной форсункой 21. В канале впуска содержится впускной клапан 22, установленный в направляющей втулке 23. В канале выпуска содержится выпускной клапан 24, расположенный в направляющей втулке 25.

Выпускной клапан снабжен осевым каналом 26, соединенным с источником ОРС 27 посредством спиральной канавки 28 и первого ряда радиальных отверстий 29. В средней части штока содержится второй ряд радиальных отверстий 30. В нижней части штока установлен распылитель 31.

Между пружиной клапана 32 и верхним торцем направляющей втулки расположено кольцо 33 упорного подшипника 34. Шток выпускного клапана в верхней части снабжен шлицами 35, входящими в зацепление с зубьями 36 рейки 37, расположенной в направляющих 38 с возможностью смещения, пропорционального смещению рейки топливного насоса 39.

При вращении вала 7 с жестко закрепленными на нем ротора 6 с поршнями 5, профилированными дисками 8 с отрицательными кулачками 9 и диска 13 с зубьями 14 с одной и той же угловой скоростью оппозитно расположенные поршни 5 совершают круговое движение в кольцевой рабочей камере 4. Головка 11 толкателя 10, в общем случае прижатая к внутренней поверхности корпуса 1, разделяет кольцевую рабочую камеру 4 на отдельные полости переменного объема. При этом в левой части кольцевой рабочей камеры 4 происходят процессы (такты) всасывания-сжатия, а в правой процесс расширения-выхлопа.

В момент прохода поршня 5 над головкой 11 толкателя 10 последний "проваливается" в профиль отрицательного кулачка 9 под действием пружины толкателя, а также давления рабочей среды, действующей на головку толкателя 11 как со стороны полости всасывания-сжатия, так и со стороны полости расширения-выхлопа, освобождая тем самым свободный проход поршней 5 по кольцевой рабочей камере 4 из одной полости переменного объема в другую.

Через каждый поворот вала 7 на угол в 180^о очередная порция рабочего тела (атмосферный воздух, газ) в сжатом состоянии подается в камеру сгорания 19, преодолевая действие пружины впускного клапана 22.

Под воздействием давления продуктов сгорания топлива в камере сгорания 19 выпускной клапан открывается, преодолевая силу действия пружины.

При движении штока выпускного клапана 24 вниз осевой канал штока 26 сообщается с источником ОРС 27 посредством радиального канала 26 направляющей втулки 25, а также спиральной канавки 28 и первого ряда радиальных отверстий 29. При этом ОРС подается в полость расширения-выхлопа через распылитель 31.

При дальнейшем движении штока выпускного клапана 24 вниз в результате того, что нижний торец направляющей втулки 25 выполнен скошенным по отношению к оси клапана, последовательно открываются радиальные отверстия "а", затем "в"-"в", "с"-"с", "д"-"д", и в последнюю очередь отверстие "е". Тем самым осуществляется подача ОРС в камеру сгорания 19 в соответствии с эпюрой теплонапряженности отдельных участков корпуса камеры сгорания 19.

Выпускной клапан 24 удерживается в открытом положении до момента открытия впускного клапана 22 с помощью механической системы "кулачок штанга коромысло" (не показано). Тем самым обеспечивается свободное истечение продуктов сгорания топлива из камеры сгорания 19 в полость расширителя выхлопа, а также продувка камеры сгорания 19 от остатков продуктов сгорания.

При движении штока выпускного клапана 24 вверх закрытие радиальных отверстий "а"-"е" происходит в обратной последовательности.

Двухсекционный четырехтактный роторный ДВС, работающий одновременно с четырьмя порциями рабочей среды, рабочие циклы над которыми смещены на один такт по отношению друг к другу, обеспечивает высокую удельную характеристику двигателя.

Большинство деталей двигателя тела вращения, что характеризует технологичность ДВС.

Характерными особенностями ДВС являются сравнительно низкие параметры рабочего цикла Pz и Pc при сравнительно высоком среднем индикаторном давлении Pi.

Сравнительно большое количество ОРС, подаваемое в двигатель, позволяет снизить температуру теплонапряженных деталей ДВС до приемлемых значений, при этом обеспечивая эффективный процесс сгорания топлива в камере сгорания благодаря тому, что ОРС подается в камеру сгорания после того, когда большая часть топлива уже сгорела.

К недостаткам роторного ДВС следует отнести наличие системы, обеспечивающей удержание выпускного клапана в открытом состоянии до момента открытия впускного клапана (кулачок, штанга и коромысло), что усложняет конструкцию двигателя.

Формула изобретения

1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий полости переменного объема, одна из которых полость всасывания-сжатия, а другая - расширения-выхлопа, выносную камеру сгорания с периодически соединяющимися с соответствующими полостями каналами впуска и выпуска и устройство для подачи охлаждающей рабочей среды, отличающийся тем, что он снабжен установленными в каналах впуска и выпуска соответственно впускным и выпускным клапанами, последний из которых выполнен подпружиненным, установлен с возможностью поворота пропорционально смещению рейки топливного насоса и снабжен направляющей втулкой со скошенным относительно оси клапана нижним торцом, а устройство для подачи охлаждающей рабочей среды выполнено в виде осевого канала, соединенных с последним двух рядов радиальных отверстий и спиральной канавкой в штоке выпускного клапана и радиального отверстия в верхней части направляющей втулки, соединенной с одной стороны с источником охлаждающей рабочей среды, а с другой через спиральную канавку и первый ряд радиальных отверстий с осевым каналом, снабженным в нижней части распылителем для подачи охлаждающей рабочей среды в полость расширения при открытом выпускном клапане, при этом при открытом последнем осевой канал соединен через второй ряд радиальных отверстий с камерой сгорания.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что между направляющей втулкой и пружиной дополнительно установлен упорный подшипник.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что спиральная канавка выполнена по дуге 360^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10