Роторный двигатель внутреннего сгорания с наддувом

 

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания с наддувом и позволяет повысить мощность и экономичность работы. Двигатель содержит систему наддува, каналы впуска и выпуска, корпус с линейчатой рабочей поверхностью, внутри которого расположен ротор с поршнями. В двигатель введена система продувки, выполненная в виде двух каналов, связанных коллектором. Система наддува выполнена в виде двух каналов, из которых первый расположен в секторе наддува на продолжении малой оси линейчатой поверхности корпуса и связан с коллектором со вторым каналом, расположенным в секторе сжатия. Впускной канал расположен в секторе всасывания и снабжен заслонкой. Линейчатая рабочая поверхность может быть выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми и образующих тороидально-цилиндрическую поверхность. Также рабочая поверхность может быть выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу. Центр ротора смещен на величину, определяемую математическим выражением, приведенным в тексте описания. 6 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно поршневым двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, в частности к двигателям с наддувом, и может быть использовано в энергетическом машиностроении в качестве двигателя внутреннего сгорания на сухопутном и водном транспорте.

Известна роторно-поршневая машина, содержащая корпус с линейчатой рабочей поверхностью, внутри которого расположен ротор. Линейчатая поверхность выполнена в виде поверхности, образованной движением части окружности, центр которой перемещается по направляющей - овалу Кассини с соотношением где a - постоянная величина; c - расстояние от центра овала до его фокусов (патент RU N 1548486, кл. F 02 B 55/00).

Однако данная роторная машина не имеет системы наддува и продолженного расширения, а представляет собой роторный двигатель внутреннего сгорания с симметричным газообменом (объем всасывания равен объему расширения, т.к. центр ротора совмещен с центром линейчатой рабочей поверхности корпуса) и, следовательно, отсутствует возможность повышения мощности, топливной экономичности, бесшумной работы и существенного улучшения мощностных и весогабаритных показателей.

Наиболее близким техническим решением является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему наддува, каналы впуска и выпуска, корпус с линейчатой рабочей поверхностью, внутри которого расположен ротор (а.с. N 436166, кл. F 02 B 53/08).

Данный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит последовательно установленные на общем валу секции, каждая из которых выполнена с двумя рабочими камерами эпитрохоидного профиля. В каждой секции между рабочими камерами выполнена компрессорная камера эпитрохоидного профиля, большая ось которой расположена перпендикулярно большой оси рабочих камер, а каналы газообмена, связывающие ее с рабочими камерами, выполнены развернутыми один относительно другого на угол 180^o.

По существу роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (по а.с.N 436166) имеет механическую систему наддува с присущими ему недостатками: ухудшение экономических показателей двигателя, обусловленное затратой энергии на привод компрессора и в результате - снижение механического КПД двигателя; сравнительно высокий эффективный расход топлива в связи со сниженным механическим КПД двигателя и дополнительными затратами мощности на привод компрессора; для механических средств наддува существует предел повышения эффективной мощности двигателя, обусловленный ростом и увеличением температуры сжатого воздуха; громоздкая, металлоемкая конструкция системы наддува, т.к. для нагнетания воздуха в камеры двигателя использован нагнетатель, выполненный в виде компрессора эпитрохоидного профиля.

В двигателях эпитрохоидного типа весьма ограничен наддув при значительном понижении степени сжатия, т.к. отношение поверхности ротора, воспринимающей давление газов и реализующее газовую силу в крутящий момент к среднему значению плеча, создающего крутящий момент, составляет 850-950, что создает огромные силы, действующие на ротор и эксцентриковый вал, снижая эффективность использования наддува.

В двигателях эпитрохоидного типа невозможно использовать средний и высокий наддувы и вообще весьма ограничен наддув (даже при низкой степени сжатия) на уровне низкого наддува. Кроме того, применение наддува в двигателях эпитрохоидного профиля снижает его надежность (слабое место эксцентриковый вал).

Создание роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с высокими удельными, весогабаритными, мощностными и топливоэкономичными показателями путем использования системы наддува простой конструкции трех типов (низкий, средний и высокий), является задачей, на решение которой направлено данное изобретение.

Сущность изобретения заключается в том, что роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему наддува, каналы впуска и выпуска, корпус с линейчатой рабочей поверхностью, внутри которого расположен ротор с поршнями, введена система продувки, выполненная в виде двух каналов, связанных коллектором, причем первый расположен в секторе максимального расширения в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения ротора, совпадающей с большой осью линейчатой поверхности корпуса и связанной с впускным каналом, расположенным в этой же плоскости, а второй расположен в секторе продукции.

Система продувки обеспечивает существенное снижение коэффициента остаточных газов, улучшающих процесс сгорания топлива.

Система наддува выполнена в виде двух каналов, из которых, первый расположен в секторе наддува на продолжении малой оси линейчатой поверхности корпуса и связанный коллектором со вторым каналом, расположенным в секторе сжатия.

Система наддува обеспечивает подачу воздуха под давлением в рабочие камеры двигателя, а следовательно, появляется возможность увеличивать количество подаваемого в рабочие камеры топлива, улучшается процесс сгорания при одних и тех же объемах рабочих камер - повышается мощность от 25 до 200% в зависимости от типа наддува (низкий, средний и высокий).

Впускной канал расположен в секторе всасывания и снабжен заслонкой, что также снижает коэффициент остаточных газов в результате впуска через этот канал свежего воздуха.

Линейчатая рабочая поверхность выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением части окружности, центр которой перемещается по направляющей - овалу Кассини с соотношением или в виде поверхности, образованной движением части окружности по направляющей - эллипсу, причем центр ротора смещен на величину, определяемую формулой Такое выполнение линейчатой рабочей поверхности обеспечивает при равных малых и больших осях всех трех вариантов ее выполнения и равных смещениях ротора, - разные объемы всасывания и расширения за счет различных радиусов кривизны направляющих: тороидально-цилиндрической рабочей поверхности, поверхностей, образованных по направляющим овалу Кассини, эллипсу, а следовательно, двигатели с такими поверхностями будут иметь различные мощности, пропорциональные объемам всасывания.

Смещение ротора относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину l₀, обеспечивает продолженное расширение, т.е. продолженный в несколько раз цикл использования энергии газов за счет увеличения объема расширения и уменьшения объема всасывания. В зависимости от увеличения объема расширения относительно объема всасывания будет определяться степень продолженного расширения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез двигателя с тороидально-цилиндрической рабочей поверхностью; на фиг. 2 - продольный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показан вид 1 эжектора продувочной системы; на фиг. 4 - разрез Б-Б системы продувки; на фиг. 5 показана схема роторного двигателя с рабочей линейчатой поверхностью, выполненной по образующей - овалу Кассини; на фиг. 6 показана схема роторного двигателя с рабочей линейчатой поверхностью, выполненной по образующей - эллипсу.

Роторный двигатель внутреннего сгорания с наддувом, содержащий корпус 1 с линейчатой рабочей поверхностью 2, внутри которой расположен ротор 3 с расположенными в пазах ползунами 4, шарнирно связанными с поршнями 5, рабочую камеру 6, имеет систему продувки, выполненную в виде двух каналов, связанных коллектором 7, причем первый канал 8 расположен в секторе 9 расширения, в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения ротора 3, совпадающей с большой осью линейчатой поверхности корпуса 1 и связанной с впускным каналом 10 системы продувки, расположенным в той же плоскости, а второй канал 11 расположен в секторе 12 продувки. В коллекторе 7 в месте его соединения с первым каналом 8 системы продувки установлен диффузор 13, имеющий отверстия 14. Система наддува также выполнена в виде двух каналов, из которых первый 15 расположен в секторе 16 наддува на продолжении малой оси линейчатой поверхности 2 корпуса 1 и связанный коллектором 17 со вторым каналом 18, расположенным в секторе 19 сжатия, в котором установлена форсунка 20. В секторе 21 всасывания расположен выпускной канал 22 и впускной канал 23, снабженный заслонкой 24. Линейчатая поверхность 2 выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру 25, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность 26, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру - овалу Кассини 27 с соотношением или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру - эллипсу 28. Центр ротора 3 смещен на величину, определяемую формулой

Роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Работу двигателя рассмотрим на примере цикла одной рабочей камеры.

При вращении ротора 3 по часовой стрелке в секторе 21 всасывания через впускной канал 23 при открытой заслонке 24 в результате разрежения в рабочую камеру 6 поступает свежий воздух. В это время в рабочей камере 6 в секторе 19 сжатия воздух сжимается и через стенку наддува - первый канал 15, коллектор 17, второй канал 18 воздух нагнетается в рабочую камеру 6 при открытом втором канале 18 системы наддува. В рабочую камеру 6 после достижения максимального объема в секторе 21 всасывания при дальнейшем вращении ротора 3 и открытии поршнем 5 второго канала 18, через последний нагнетается сжатый воздух. Затем в секторе 19 сжатия форсункой 20 в рабочую камеру 6 впрыскивается топливо. При дальнейшем вращении ротора 3 происходит максимальное сжатие, при высокой степени сжатия (ε=16 ÷ 20)- нагрев воздуха, топлива, испарение топлива и после достижения температуры самовоспламенения топливо воспламеняется. В рабочей камере 6 создается высокое давление сгорания порядка 90 - 110 кг/см² и в секторе 9 расширения совершается продолженный рабочий ход. В результате давления газов на избыточную поверхность, образованную правым ползуном 4 (по часовой стрелке), и возникающий крутящий момент, вращаетcя ротор 3 по часовой стрелке.

Поскольку центр ротора 3 смещен относительно центра рабочей линейчатой поверхности 2 корпуса 1 на величину, определяемую формулой

где - степень продолженного расширения;
l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в секторе всасывания;
l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей линейной поверхностью корпуса в секторе всасывания,
то в секторе 9 расширения происходит увеличение объема рабочей камеры в несколько раз по сравнению с объемом рабочей камеры в секторе 21 всасывания. Такое многократное (2,5 - 3,5 и более) увеличение объема рабочей камеры 6 в секторе 9 расширения за поворот ротора 3 на угол 90^o обеспечивает продолженное расширение рабочего тела, а следовательно, максимально возможное использование теплоты рабочего тела, - повышение мощности, топливной экономичности и улучшение весогабаритных и мощностных показателей двигателя. Давление и температура газов в результате многократного увеличения объема рабочей камеры 6 в секторе 9 расширения значительно снижается. Величина давления в момент максимального расширения рабочей камеры 6 в секторе 9 расширения снижается до уровня ниже атмосферного (0,075 - 0,08 МПа).

Через впускной канал 10 в рабочую камеру 6 из атмосферы поступает свежий воздух, который смешивается с отработавшими газами. Пока каналы 8 и 11 продувочной системы сообщены с рабочей камерой 6, происходит сжатие продувочного воздуха и его подача к диффузору 13 через второй канал 11 и коллектор 7. Продувочный воздух, проходя через диффузор 13, создает в нем разрежение, благодаря которому смесь свежего воздуха с отработавшими газами из рабочей камеры 6 через первый канал 8, отверстия 14 в диффузоре 13 поступает внутрь диффузора 13 и затем удаляется в атмосферу. Таким образом происходит очистка рабочей камеры 6 от отработавших газов. При дальнейшем вращении ротора 3 рабочая камера 6 перемещается в сектор 19 сжатия и сообщается лишь со вторым каналом 11 продувочной системы. В этом время происходит сжатие в рабочей камере 6 и осуществляется очистка в следующей за рабочей камерой 6. При дальнейшем вращении ротора 3 рабочая камера 6 сообщена с первым каналом 15 системы наддува, через который сжатый воздух подается по коллектору 17 во второй канал 18 и затем в рабочую камеру 6, сообщенную со вторым каналом 18 системы наддува. При дальнейшем вращении ротора 3 и совмещении рабочей камеры 6 с выпускным каналом 22 происходит выпуск в атмосферу оставшейся от нагнетания воздушной смеси. И затем процесс повторяется.

При изменении нагрузочных режимов (увеличении или уменьшении) соответственно изменяется количество впускаемого воздуха, регулируемого заслонкой 13, т.е. осуществляется регулируемый наддув позволяющий оптимизировать параметры рабочего процесса двигателя.

В предлагаемом двигателе продолженное расширение осуществляется при одном и том же ходе такта расширения и такта всасывания, т.е. за поворот ротора 3 на 90^o. Таким образом увеличение объема расширения осуществляется смещением ротора в сторону, противоположную его вращению на величину l₀, т.е. объем расширения увеличивается за счет увеличения поперечных размеров рабочей камеры 6 в секторе 9 расширения. Такое увеличение объема в несколько раз незначительно увеличивает поверхность рабочей камеры 6 на основании особенностей геометрических закономерностей элементов, составляющих поперечное сечение рабочих камер 6. Так, при увеличении объема расширения в 2, 3, 4 раза, поверхность рабочей камеры 6 соответственно увеличивается на 24, 48 и 72%. Следовательно, потери тепла при вышеописанном соотношении увеличения объема рабочей камеры 6 и ее поверхности будут незначительными. А эффект от увеличения объема рабочей камеры 6 существенно повысится.

Использование наддува в предлагаемом двигателе (низкий, средний, высокий) без специальных устройств (например, нагнетателей с механическим приводом и широко известных турбонагнетателей с газовой связью турбины), резко снижающих использование тепловой энергии, надежность двигателей, позволяет существенно улучшить процесс горения, позволяющий сжигать большее количество топлива.

Совместное использование в предлагаемом изобретении проложенного расширения и безтурбинного наддува позволяет существенно повысить мощность, топливную экономичность, удельные мощностные и весогабаритные показатели роторного двигателя.

Аналогичным образом работает двигатель внутреннего сгорания с линейчатой рабочей поверхностью, выполненной в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини, с соотношением

где a -постоянная величина;
c - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.

Формула изобретения

Роторный двигатель внутреннего сгорания с наддувом, содержащий систему наддува, каналы впуска и выпуска, корпус с линейчатой рабочей поверхностью, внутри которого расположен ротор с поршнями, отличающийся тем, что в двигатель введена система продувки, выполненная в виде двух каналов, связанных коллектором, причем первый расположен в секторе расширения в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения ротора, совпадающей с большой осью линейчатой поверхности корпуса и связанной с впускным каналом, расположенным в этой же плоскости, а второй расположен в секторе продувки, система наддува выполнена в виде двух каналов, из которых первый расположен в секторе наддува на продолжении малой оси рабочей линейчатой поверхности корпуса и связан коллектором со вторым каналом, расположенным в секторе сжатия, впускной канал расположен в секторе всасывания и снабжен заслонкой, центр ротора смещен относительно центра рабочей линейчатой поверхности корпуса на величину, определяемую по формуле

где степень продолженного расширения;
l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей линейчатой поверхностью корпуса в секторе всасывания;
l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей линейчатой поверхностью корпуса в секторе расширения,
причем рабочая линейчатая поверхность выполнена в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющему контуру, состоящему из двух полуокружностей, сопряженных параллельными прямыми, образующему тороидально-цилиндрическую поверхность, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - эллипсу, или в виде поверхности, образованной движением центра части окружности по направляющей - овалу Кассини с соотношением

где a - постоянная величина;
c - расстояние от центра овала Кассини до его фокусов.

РИСУНКИ

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