Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания. Для увеличения КПД и уменьшения потерь мощности в роторном двигателе внутреннего сгорания функции "всасывание-сжатие", "воспламенение-расширение-выпуск" выполняют отдельные, соединенные последовательно по газовому тракту, секции нагнетания и расширения. Объемы полостей секций расширения и нагнетания находятся в определенном соотношении, обеспечивающем снижением давления выхлопных газов до критического значения. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области двигателестроения и может найти применение при проектировании и производстве двигателей внутреннего сгорания.

Известны конструкции роторных двигателей внутреннего сгорания, содержащих два кинематически связанных ротора с разделением функций "всасывание-сжатие", "воспламенение - расширение - выпуск" между различными цилиндрами (патент США N 4024840, МПК F 02 B 53/00, опубл. 1977).

Недостатком известного двигателя является сложность устройства кулисного механизма управления лопастями двигателя, наличие точечного контакта между лопастью и поверхностью цилиндра, а так же невозможность установки опережающего зажигания, что делает двигатель неперспективным.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и принятому в качестве прототипа, является роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий последовательно включенные как по направлению, так и по количеству протекающего газа, секции нагнетания и расширения, с полостями, образованными поверхностями цилиндра и эксцентрично расположенного в нем ротора с лопастями, связанного с валом отбора мощности, причем лопасти закреплены шарнирно на оси цилиндра с возможностью касания внутренней поверхности цилиндра и его боковых щек и проходят через поворотные шарниры, расположенные в стенках ротора, а элементы, образующие полости секций нагнетания и расширения, кинематически связаны между собой (патент РФ N 2023185, МПК F 02 B 53/08, опубл. 1994).

Недостатком известного двигателя является то, что полости, выполняющие функции "всасывание-сжатие", "воспламенение-расширение-выпуск", попарно размещены в одних и тех же цилиндрах, а лопасти, их ограничивающие, расположены с одинаковым угловым расстоянием по образующей роторов. Это предопределяет равенство объемов полостей нагнетания и расширения. При этом давление выхлопных газов на выпуске из двигателя превышает критическое значение, его очистка происходит не оптимальным образом, и часть потенциальной энергии газов теряется т.е. уменьшается тепловой коэффициент полезного действия (КПД).

Задачей изобретения является увеличение КПД теплового цикла и уменьшение потерь мощности в двигателе за счет более полной его очистки от выхлопных газов путем снижения давления выхлопа до величины, обеспечивающей критическое отношение давлений по сравнению с атмосферным, при котором массовый расход газа принимает наибольшее значение (Б.Н.Юдаев), Техническая термодинамика теплопередачи, М., Высшая школа, 1988, с. 479).

Поставленная задача решается за счет того, что в роторно-лопастном двигателе внутреннего сгорания, содержащем последовательно включенные, как по направлению, так и по количеству протекающего газа, секции нагнетания и расширения, с полостями, образованными поверхностями цилиндра и эксцентрично расположенного в нем ротора с лопастями, связанного с валом отбора мощности, причем лопасти закреплены шарнирно на оси цилиндра с возможностью касания внутренней поверхности цилиндра и его боковых щек и проходят через поворотные шарниры, расположенных в стенках роторах, а элементы, образующие полости нагнетания и расширения, кинематически связаны между собой, соотношение максимальных и минимальных объемов полостей расширения устанавливаются в соответствии с зависимостью: где - максимальный объем полостей секции расширения; - минимальный объем полостей секций расширения; P_max - наибольшее давление рабочего тела в процессе сгорания; P_крит - критическое давление выпуска отработанных газов на выходе из двигателя; γ - показатель политропы для процесса расширения; причем критическое давление выхлопных газов рассчитывается по формуле:
где:
P - давление всасываемого полостями нагнетания воздуха или топливной смеси,
а минимальный объем полостей секции расширения устанавливается в соответствии с соотношением:

где:
N_отн - скорость вращения полостей расширения относительно скорости вращения полостей нагнетания;
- максимальный объем полостей секции нагнетания;
- минимальный объем полостей секции нагнетания;
к - степень сжатия воздуха или топливной смеси.

Секции расширения и нагнетания могут быть расположены в отдельных цилиндрах, кинематическая связь между которыми обеспечивает возможность их вращения как с равными, так и с различными угловыми скоростями.

Кроме того секции нагнетания и расширения могут быть расположены в одном цилиндре с различными угловыми расстояниями между поворотными шарнирами, что задает различные объемы полостей нагнетания и расширения.

На фиг. 1 - пример выполнения двигателя с секциями нагнетания и расширения, расположенными в цилиндрах различного размера, причем их роторы вращаются с одинаковой угловой скоростью; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг. 4 - пример выполнения двигателя с секциями нагнетания и расширения, расположенными в одном цилиндре; на фиг.5 - сечение ротора плоскостью I-I на фиг.4; на фиг.6 - сечение ротора плоскостью II-II на фиг.4; на фиг.7 - пример выполнения двигателя с секциями нагнетания и расширения, расположенными в отдельных цилиндрах, причем их роторы вращаются с различными угловыми скоростями.

двигатель (фиг.1) содержит цилиндры 1, 2. торцы цилиндров заглушены щеками 3, 4, 5, 6. В цилиндрах находятся роторы 7, 8 с выдвижными лопатками 9. проходящими через поворотные шарниры 10. выдвижные лопасти закреплены на валке 11, установленном по оси цилиндров 1, 2. Роторы прикреплены к трубчатому валу 12 отбора мощности, опирающемуся на подшипники в щеках 3 и 6. В цилиндре секции нагнетания выполнены: окно 13 всасывания и окно 14 перепуска. В цилиндре секции расширения выполнены: окно 15 продувки и окно 16 выхлопа. Окна 14 и 15 соединены перепускным каналом 17. В цилиндре 1 секции расширения установлена форсунка или свеча 18 зажигания. Отбор мощности производится при помощи шестерни 19, закрепленной на трубчатом вале 12. В теле ротора полостей расширения 7 выполнены камеры сгорания 20.

Двухцилиндровый роторно-лопастной двигатель по фиг.1 работает следующим образом.

При вращении против часовой стрелки роторов 7 и 8, кинематически связанных общим трубчатым валом 12, в полостях секции нагнетания, начиная с крайнего нижнего положения, создается разрежение, благодаря которому воздух или горючая смесь засасывается внутрь. Соответствующая лопатка ротора отсекает внутренний объем полости секции нагнетания от окна всасывания в тот момент, когда объем этой полости принимает наибольшее значение. При продолжении вращения объем полости начинает уменьшаться, и после пересечения края перепускного окна 14 ее лопаткой всосанная порция воздуха продавливается в перепускной канал 17. При дальнейшем вращении ротора 7 эти процессы повторяются для всех полостей секции нагнетания. Полости секции расширения, вращаясь синхронно с полостями секции нагнетания, поочередно подключаются к перепускному каналу 17 в те моменты времени, когда соответствующие лопатки полостей секции расширения пересекают левый край окна 15 продувки, и продавливаемые газы поступают в камеры сгорания 20. Когда замыкающая для рассматриваемой полости лопатка пересекает правый край окна 15 продувки, объем полости принимает наименьшее значение, и поступившая рабочая смесь поджигается свечой 18 зажигания (или в этот момент форсунка подает топливо, если двигатель работает по дизельному циклу).

При продолжении вращения против часовой стрелки продукты сгорания расширяются в соответствующих расширительных полостях, пока эти полости не займут крайнее верхнее положение, отвечающее наибольшему объему. При дальнейшем вращении левая лопатка верхней полости пересекает край окна 16 выхлопа, после чего продукты сгорания поступают в окно выхлопа. Замыкающая лопатка рассматриваемой полости, проходя край окна 16 выхлопа, отсекает ее объем от системы выпуска. При дальнейшем вращении эта полость подсоединится к перепускному каналу и все процессы повторятся. Соответствующим выбором размеров цилиндров и роторов секций нагнетания и расширения, а также выбором объема камеры сгорания обеспечивают снижение давления выхлопных газов до критического значения. Этим достигается уменьшение потерь за счет более полной очистки двигателя от выхлопных газов и реализуется продолженное расширение, что повышает КПД теплового цикла.

Указанного технического результата можно достичь и при помощи других реализаций технических решений двигателя, представленных на фиг.4 и 7.

Двигатель по фиг.4 состоит из цилиндра 1, торцы которого заглушены щеками 3, 6. В цилиндре 1 находится ротор с выдвижными лопатками 9, проходящими через поворотные шарниры 10. Выдвижные лопатки 9 закреплены на валке 11, установленном по оси цилиндра 1. Ротор прикреплен к трубчатому валу 12, опирающемуся на подшипники в щеках 3 и 6. Поворотные шарниры 10 расположены на роторе двигателя так, что угловые расстояния между шарнирами для полостей расширения больше угловых расстояний между шарнирами для полостей нагнетания.

В щеках 3 и 6 выполнены: оно всасывания 21, окна перепуска 22, 23 и окно выхлопа 24. Окна перепуска соединены перепускным каналом 25. Полости 26 нагнетания и расширения ограничены внутренней поверхностью цилиндра, лопастями и внешней поверхностью сегментов 27, 28 ротора соответственно. В этих сегментах выполнены коммутационные окна 29, 30. В цилиндре установлена форсунка или свеча зажигания 18.

Одноцилиндровый роторно-лопастной двигатель (фиг.4) работает следующим образом.

При вращении ротора против часовой стрелки в полости нагнетания, начиная с крайнего нижнего положения, создается разрежение, благодаря которому воздух или горючая смесь всасывается внутрь соответствующей полости нагнетания из окна 21 через коммутационное окно 29. Каждая секция нагнетания отсекается от окна всасывания в тот момент, когда объем этой секции принимает наибольшее значение. При продолжении вращения объем этой полости начинает уменьшается, и после пересечения краем коммутационного окна края окна перепуска засосанная порция воздуха продавливается в перепускной канал через окно 22. При дальнейшем вращении ротора эти процессы повторяются для всех полостей нагнетания. Расширительные полости двигателя, вращаясь синхронно с полостями нагнетания, поочередно подключаются к перепускному каналу в те моменты времени, когда площади когда площади коммутационных окон 30 пересекаются с площадью окна 23 перепуска. Когда объем полости расширения принимает наименьшее значение, эта полость отсекается от перепускного канала, и поступившая рабочая смесь поджигается свечой зажигания (или в этот момент форсунка подает топливо, если двигатель работает по дизельному циклу). При продолжении вращения против часовой стрелки продукты сгорания расширяются в соответствующих полостях расширения, пока эти полости не займут крайнее верхнее положение, отвечающее наибольшему объему полости. При дальнейшем вращении коммутационное окно 30 пересекает край окна выхлопа 24, после чего продукты горения выпускаются из двигателя. При дальнейшем вращении эта полость подсоединится к перепускному каналу и все процессы повторятся. Соответствующим выбором угловых расстояний между шарнирами для полостей расширения и полостей нагнетания, а так же выбором объема камеры сгорания обеспечивают снижение давления выхлопных газов до критического значения. Этим достигается уменьшение потерь за счет более полной очистки двигателя от выхлопных газов и реализуется продолженное расширение, что повышает КПД теплового цикла.

Двигатель по фиг. 7 во многом подобен двигателю, показанному на фиг.1. Роторный двигатель состоит из двух цилиндров 1, 2. Торцы цилиндров заглушены щеками 3, 4, 5, 6. в цилиндрах находятся роторы 7, 8, с выдвижными лопатками, проходящими через поворотные шарниры. Выдвижные лопатки закреплены на валках 11, 33, установленных по оси цилиндров 1, 2. Роторы прикреплены к трубчатым валам, опирающимся на подшипники в щеках 3, 32 и 6, 31. В цилиндре 2 секции нагнетания выполнены окна всасывания и перепуска. В цилиндре секции расширения выполнены окна продувки и выхлопа. Окна 14 перепуска и 15 продувки соединены перепускным каналом 17. В цилиндре секции расширения установлена форсунка или свеча зажигания. Отбор мощности производится при помощи шестерни 35, находящейся в зацеплении с шестерней 36, закрепленной на трубчатом вале 34 цилиндра секции расширения. Привод ротора секции нагнетания осуществляется при помощи шестерни 19, находящейся в зацеплении с шестерней 35. Соответствующим выбором передаточного отношения шестерен 36 и 19, а так же выбором объема камеры сгорания обеспечивают снижение давления выхлопных газов до критического значения. Этим достигается уменьшение потерь за счет более полной очистки двигателя от выхлопных газов и реализуется продолженное расширение, что повышает КПД теплового цикла.

Формула изобретения

1. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий последовательно включенные как по направлению, так и по количеству протекающего газа секции нагнетания и расширения с полостями, образованными поверхностями цилиндра и экцентрично расположенного в нем ротора с лопастями, связанного с валом отбора мощности, причем лопасти закреплены шарнирно на оси цилиндра с возможностью касания внутренней поверхности цилиндра и его боковых щек и проходят через поворотные шарниры, расположенные в стенках ротора, а элементы, образующие полости секции нагнетания и расширения, кинематически связаны между собой, отличающийся тем, что соотношение максимальных и минимальных объемов полостей расширения устанавливают в соответствии с зависимостью

где максимальный объем полостей секции расширения;
минимальный объем полостей секции расширения;
P_max наибольшее давление рабочего тела в процессе сгорания;
P_крит критическое давление выпуска отработанных газов на выходе из двигателя;
γ - показатель политропы для процессора расширения,
причем критическое давление выхлопных газов рассчитывается по формуле

где Р давление всасываемого полостями нагнетания воздуха или топливной смеси.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что минимальный объем секции расширения устанавливается в соответствии с соотношением

где N_отн отношение частоты вращения полостей расширения к частоте вращения полостей нагнетания;
максимальный объем полостей секции нагнетания;
минимальный объем полостей секции нагнетания;
к степень сжатия воздуха или топливной смеси.

3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что секции расширения и нагнетания расположены в цилиндрах различного размера, роторы которых связаны с общим валом отбора мощности, причем размер цилиндра секции расширения больше размера цилиндра секции нагнетания.

4. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что секции расширения и нагнетания расположены в одном цилиндре, причем угловое расстояние между поворотными шарнирами для полостей расширения больше углового расстояния между шарнирами для полостей нагнетания.

5. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что секции расширения и нагнетания расположены в отдельных цилиндрах, а кинематическая связь роторов обеспечивает возможность их вращения с различными угловыми скоростями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7