Роторный двигатель внутреннего сгорания и система его управления

 

Изобретение относится к РДВС с профилированными роторами и может использоваться в автомобильной промышленности и других транспортных средствах. РДВС снабжен камерой компрессора, повторяющей форму рабочей камеры. Роторы рабочей камеры установлены соосно с роторами двигателя. Над двигателем размещен ресивер с всасывающим и сбрасывающим клапанами. Коллектор расположен над корпусом. В полости корпуса установлен сбрасывающий клапан. Испаритель горючего расположен под выхлопным коллектором рабочей камеры. Воздуховод огибает боковую поверхность корпуса. Роторы двигателя и компрессора выполнены одинакового профиля с двумя и более лопастями, между которыми выполнен зазор, который имеется также между лопастями и корпусом двигателя. Всасывающий и сбрасывающий клапаны ресивера выполнены в виде цилиндрического корпуса с крышкой, подвижного цилиндра и пружин. Во всасывающем клапане выполнены отверстия в нижней части цилиндрического корпуса, а в сбрасывающем - в верхней части и соответственно пружины расположены под крышкой корпуса и под подвижным цилиндром. Система управления РДВС снабжена педалью управления мощностью, дифференциальным манометром и двухходовым электромагнитным переключателем сжатого воздуха, соединенными c электронным блоком управления. Педаль управления мощностью соединена с электронным счетчиком и выполнена с возможностью выбора числа полуоборотов ротора. Двухходовой электромагнитный переключатель соединен с ресивером, его сбрасывающим клапаном и атмосферой, а дифференциальный манометр - с ресивером и камерой сгорания. Изобретение позволяет изменять регулируемую мощность в широких пределах и использовать разогретое до газообразного состояние горючее. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания, в частности, к роторным двигателям с профилированными роторами и может быть использовано в автомобильной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент СССР N 524537 кл. F 02 B 55/00, опубликованный БИ N 29 05.08.75.), содержащий корпус с рабочей камерой, образованный двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями и снабженной окнами газообмена, два установленных на параллельных валах и находящихся в зацеплении ротора (ведущий и ведомый) соответственно с зубьями и впадинами циклоидального профиля, выполненными снаружи и внутри начальных окружностей.

Недостатком такого двигателя с зубчатыми роторами является очень кратковременный и короткий технологический рабочий цикл, и как следствие затруднительный рабочий ход, затруднительный выхлоп, поступление в роторы не чистого воздуха, а перемешанного с выхлопными газами, и затруднительная подача высоковольтного заряда к свечам зажигания, кроме того, сложность технологического изготовления вышеописанного двигателя.

Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель внутреннего сгорания (см. Патент СССР N 565635 кл. F 02 B 55/00, опубликованный БИ N 26 15.07.77.), содержащий корпус с рабочей камерой, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими полостями, два параллельных вала, связанных синхронизирующей шестеренчатой передачей и снабженных взаимно сопряженными роторами - ведущим и ведомым, соответственно с зубьями и впадинами циклоидального профиля, расположенными снаружи и внутри начальных окружностей своих роторов, причем число впадин ведомого ротора больше числа зубьев ведущего ротора, и выполненные на части осевой длины впадин ведомого ротора камеры сгорания, причем осевая длина роторов равна 0,75 - 1,5 хорды впадины ведомого ротора по его наружному диаметру.

Недостатками прототипа является очень кратковременный и короткий рабочий ход, затруднительный выхлоп отработанных газов, очень затруднительная подача электрического заряда к свече, конструктивная сложность технологического процесса.

Наиболее близкой системой управления роторным двигателем внутреннего сгорания является, электронная система управления с принудительным впрыском горючего, применяемая на автомобилях ВАЗ-21044 (см. ж. "За рулем" N 4/96, стр. 54-56) содержащая: электронный блок управления, модуль зажигания, форсунку, электробензонасос, регулятор давления топлива, регулятор холостого хода; датчики: положения дроссельной заслонки, температуры воздуха, температуры охлаждающей жидкости, оборотов (положения) коленчатого вала, абсолютного давления, а также свечи зажигания и нейтрализатор.

Недостатками известной электронной системы управления являются: работа ДВС на строго определенных очищенных марках неэтилированного бензина, применение этилированного бензина выводит из строя систему управления, при внезапном отказе даже одной свечи зажигания двигатель "стреляет", глохнет, деффект трудно распознаваем, применение низкосортных моторных масел отрицательно влияют на работоспособность нейтрализатора, обслуживание таких систем требует специализированного инструмента и контрольно-диагностических и др. (настроечных) приоров, а также квалифицированной подготовки специалистов по обслуживанию.

Задачей предлагаемого изобретения является создание двигателя нового поколения и системы его управления, более экономичного, надежного в эксплуатации, технологичного в изготовлении и простом в техническом обслуживании.

Технический результат заключается в возможности изменения регулируемой мощности в широких пределах и использования разогретого горючего до газообразного состояния, за счет чего снижается расход горючего, обеспечивается его более полное сгорание и снижение токсичности выхлопных газов, увеличивается мощность двигателя.

Этот технический результат достигается тем, что известный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей камерой, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими полостями, внутри которого расположены два параллельных вала ведомого и ведущего, связанных синхронизирующей шестеренчатой передачей и снабженных взаимно сопряженными роторами, дополнительно снабжен камерой компрессора, повторяющий форму рабочей камеры, роторы которой установлены соосно роторам двигателя, над которым размещены ресивер с всасывающим и сбрасывающим клапанами, и коллектором, в полости которого установлен сбрасывающий клапан, испарителем горючего, расположенным под выхлопным коллектором рабочей камеры и воздуховодом, огибающим боковую поверхность корпуса, при том роторы выполнены одинакового профиля с двумя и более лопастями, причем между лопастями, а также лопастями и корпусом выполнены зазоры.

В двигателе всасывающий клапан ресивера выполнен в виде цилиндрического корпуса с крышкой, в нижней части которого имеются отверстия, подвижного цилиндра и пружин, расположенных между цилиндром и крышкой.

Сбрасывающий клапан ресивера выполнен в виде цилиндрического корпуса с крышкой в верхней части которого выполнены отверстия, при этом внутри корпуса расположен подпружиненный подвижной цилиндр.

Известная система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащая электронный блок управления, с электронным счетчиком полуоборотов роторов, соединенный с датчиком оборотов (положения) роторов, форсунку, электробензонасос, датчики давления и свечу зажигания, дополнительно снабжена педалью управления мощностью, дифференциальным манометром и двухходовым электромагнитным переключателем сжатого воздуха, соединенных с электронным блоком управления, при этом педаль управления мощностью соединена с электронным счетчиком и выполнена с возможностью выбора числа полуоборотов ротора, причем двухходовой электромагнитный переключатель соединен с ресивером через коллектор с сбрасывающим клапаном и атмосферой, а дифференциальный манометр соединен с ресивером и камерой сгорания.

Данный двигатель и система его управления служат единому изобретательскому замыслу и позволяет повысить управляемость мощностью двигателя, надежность его работы, экономичность за счет снижения расхода топлива, отсутствия потребления моторных масел и простоты технического обслуживания, а также снизить токсичность выхлопных газов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 - изображены общий вид роторного двигателя внутреннего сгорания и система его управления; на фиг. 2 - поперечный разрез двигателя по А-А (сбрасывающий клапан и испаритель не показан); на фиг. 3 - поперечный разрез компрессора по Б-Б; на фиг. 4 - разрез двигателя в плане по В-В; на фиг. 5 - дифференциальный манометр (в разрезе); на фиг. 6 - двухходовой электромагнитный клапан (в разрезе); на фиг. 7 - один из вариантов роторов.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса 1 с двумя камерами: рабочей 2 и камеры компрессора 3 (см. фиг. 1, 2, 3, 4), образованными пересечением двух цилиндрических полостей, оси которых параллельны, и двух валов: ведущим 4 и ведомым 5, связанных с синхронизирующей шестеренчатой передачей 6 (см. фиг. 4), снабженных взаимно сопряженными роторами 7, 8 - двигателя и соосно с ними роторами 9, 10 - компрессора 3, одинакового профиля, но разной длины L₁ > L₂ (см. фиг. 4). Между рабочей камерой 2 и камерой компрессора 3 выполнена перегородка 11, непроницаемая для газов (см. фиг. 1, 4). Валы 4 и 5 опираются на шариковые подшипники 12, расположенные в перегородке 11 и роликовые 13 - в боковых крышках 14, 15 рабочей камеры 2 и компрессора 3 (см. фиг. 4). Роторы 7, 8, 9, 10 выполнены с зазором 16 (см. фиг. 2, 3, 4) так, что при вращении синхронизируемыми парой шестерен 6, лопасти роторов не касаются между собой, а также: корпуса 1, перегородки 11 и боковых крышек 14 и 15. Над корпусом 1 двигателя расположен входной коллектор 17 (см. фиг. 1, 2), выполненный заодно с корпусом 1, а в нижней части рабочей камеры 2 имеется выхлопной коллектор 18, на котором расположен испаритель 19.

Камера компрессора 3 в верхней части имеет входной фланец 20 с воздушным фильтром (см. фиг. 1, 3).

В нижней части компрессора 3 имеется выходной фланец 21, к которому подсоединен воздуховод 22 сжатого воздуха. Воздуховод 22 огибает боковую стенку корпуса 1 от выходного фланца 21 до входного фланца 20 (см. фиг. 1, 3).

На выходном фланце воздуховода 22 и выходном коллекторе 17 установлен ресивер 23, в котором имеются всасывающий клапан 24 и сбрасывающий клапан 25 (см. фиг. 1).

Всасывающий клапан 24 расположен в ресивере 23 над воздуховодом 22 и состоит из цилиндрического корпуса 26, в нижней части которого выполнены отверстия, крышки 27, подвижного цилиндра 28, последний пружинами 29 и крышкой 27 поджат к ресиверу 23.

Сбрасывающий клапан 25 расположен во входном коллекторе 17, в месте его крепления с ресивером 23 (см. фиг. 1). Сбрасывающий клапан состоит из цилиндрического корпуса 30, в верхней части которого выполнены отверстия, крышки 31 и подвижного цилиндра 32, поджатого к крышке 31 пружинами 33.

Цилиндрический корпус 30 клапана 25 посредством трубы 34 соединен с двухходовым электромагнитным переключателем 35, расположенным вне ходового коллектора 17 и трубой 36, соединенным с ресивером 23 (см. фиг. 1, 6).

Дифференциальный манометр 37 трубками подсоединен к входному коллектору 17 и ресиверу 23 (см. фиг. 1, 5).

Полости между входным коллектором 17, корпусом 30 ( клапана 25) и верхними лопастями роторов 7, 8 двигателя образует камеру сгорания 38 (см. фиг. 1, 2).

На входном коллекторе 17 находится форсунка 39 и свеча зажигания 40 (см. фиг. 1).

На ресивере 23 расположены датчики давления 41, 42 и электромагнитный клапан сброса сжатого воздуха 43 (см. фиг. 1).

На крышке 15 компрессора 3 расположены электромагнитные обмотки 44, 45, для подпитки аккумулятора 46, и датчик оборотов (положения) роторов 47, закрепленного эксцентрично сердечником 49 и эксцентриком 50 (см. фиг. 4, разрез Д-Д).

В наружные торцы роторов 9, 10 компрессора встроены магниты 51 (см. фиг. 1, 3, 4).

Синхронизирующие шестерни 6 закрыты кожухом 52, содержащим масляную ванну.

Все подшипники 12, 13, а также трущиеся поверхности всасывающего 24 и сбрасывающего 25 клапанов смазываются маслом под давлением, излишки масла сжатым воздухом из ресивера по трубам направляются в масляный насос (на фиг не показано).

Система управления двигателем представлена на фиг. 1 и состоит из: электронного блока управления (ЭБУ) 53 с электронным счетчиком 54 полуоборотов роторов 7, 8, 9, 10, соединенного с датчиком оборотов (положения) роторов 47, педали управления мощности 55 с неподвижными контактами 56, последовательно соединенными с выходами от 1-го до 25-го счетчика 54 и подвижного контакта (ползунка) 57, передающего сигнал в ЭБУ; дифференциального манометра 37, служащего для сравнения давления P₂ в ресивере и давления P₃ в камере сгорания 38, (на фиг. 5 изображен один из вариантов дифференциального манометра 37, состоящего из корпуса 59, подвижного плунжера 60, пружин 61, 62, 63, электромагнитного датчика 64 и контактов 65); двухходового электромагнитного переключателя 35, служащего для управления сбрасывающим клапаном 25, (на фиг. 6 изображен один из вариантов выполнения двухходового электромагнитного переключателя, состоящего из корпуса 66, подвижного плунжера 67, электромагнита 68, пружины 69 и заглушки 70); форсунки 39, служащей для подачи распыленного или газообразного топлива в камеру сгорания 38; датчика рабочего давления 41 в ресивере 23, датчика избыточного давления 42, с помощью ЭБУ и двухходового переключателя 35, позволяющего производить сброс сжатого воздуха из ресивера 23 в рабочую камеру 2 двигателя, электромагнитного клапана 43, позволяющего сжатый воздух на ресивера 23 сбрасывать в атмосферу, свечи зажигания 40, магнитов 51, электробензонасоса (на фиг. не показан) и индикатора 58, показывающим экономический режим работы двигателя.

Двигатель (РДВС) и электронная система управления работают следующим образом (см. фиг. 1).

Двигатель запускается стартером или другим двигателем (на фиг. 1 не показан).

Роторы 9, 10 компрессора 3 при вращении в заданном направлении (см. фиг. 3) создают давление воздуха P₁ в воздуховоде 22 и на входе всасывающего клапана 24 (см. фиг. 1). Давление P₁, воздействуя на подвижный цилиндр 28, приподнимает его через боковые отверстия в корпусе 26 сжатый воздух сбрасывается в ресивер 23.

В ресивере 23 создается давление воздуха P₂.

При вращении роторов 9, 10 компрессора 3 магнитами 51 наводится ЭДС в обмотках электромагнитов 44, 45, 47. Обмотки 44, 45 служат для подпитки аккумулятора 46. Обмотка 47 является датчиком оборотов (положения) роторов и импульсы напряжения, от которой поступают на вход электронного счетчика 54, пересчитывающего полуобороты ротора компрессора 3 и двигателя (на фиг. 1 схема вынесена за пределы ЭБУ для удобства описания). С выходов электронного счетчика 54. импульсы (числа полуоборотов ротора) поступают на неподвижные контакты 56 педали управления мощностью 55 и в зависимости от положения подвижного контакта (ползунка) 57, (управляемого ногой), поступают от любого выхода с 1-го до 25-го ( а возможно и сколь угодно более) на вход в ЭБУ 53, при этом электронный счетчик 54 сбрасывается на "0". Двухходовой электромагнитный переключатель 35 находится во включенном состоянии и сжатый воздух через трубы 34, 36 переключатель 35 поступает под подвижный цилиндр 32 сбрасывающего клапана 25, давление на дно подвижного цилиндра 32 уравновешивается и клапан 25 с помощью пружин 3 находится в закрытом состоянии (см. фиг. 1, 6).

Электробензонасос (на черт. не показан) включен и под давлением подает горючее к форсунке 39 (вход "а" см. фиг. 1).

При достижении давления воздуха в ресивере 23 заданного значения (10 атм.) датчик 41 подает сигнал в ЭБУ.

ЭБУ формирует и направляет команды: переключателю 35 на выключение электромагнита 68, при этом полость под подвижным цилиндром 32 через трубу 34 и каналы в корпусе 66 сообщается с атмосферой и подвижный цилиндр 32 под воздействием на него давления P₂ быстро опускается и сжатый воздух попадает через боковые отверстия в корпусе 30 в камеру сгорания 38. Одновременно включается форсунка 39, которая производит впрыск топлива в камеру сгорания 38.

Длительность напуска воздуха и впрыска топлива формируются и регулируются в ЭБУ в зависимости от оборотов роторов двигателя. После этого ЭБУ 53 (см. фиг. 1, 6): включает электромагнит 68 двухходового переключателя 35, сообщение с атмосферой прекращается и пружины 33 и сжатый воздух, устремляющийся из ресивера 23 через трубы 35, 36 и переключатель 35, закрывает сбрасывающий клапан 25, выключает форсунку 39 и, выработав мощный импульс для бобины (на фиг. не показана), создает искру на двух свечах 40 (расположенных противоположно друг другу по продольным осям роторов 8, 9, вторая свеча не показана).

Происходит взрыв смеси и газы высокого давления P₃ (50 атм.), воздействуя на роторы 7, 8 (см. фиг. 2) вращают их в противоположных направлениях. При вращении роторы 7, 8 выносят газы к выхлопному коллектору 18. Газы высокого давления совершают работу до тех пор пока давление в камере сгорания 38 не станет ниже, чем в ресивере 23, что и отслеживает дифференциальный манометр 37 (см. фиг. 1, 5), сравнивая давления P₂ в ресивере 23 и P₃ в камере сгорания 38. Только после этого дифференциальный манометр 37 подает разрешающий сигнал в ЭБУ 53 на повторение рабочего цикла (описанного выше).

Выхлопные газы (температура которых достигает 900^oC) нагревают испаритель 19 и биметаллическую пластинку, находящуюся на нем (на черт. не показана).

Биметаллическая пластина включает электромагнитный клапан (на черт. не показан) подачи топлива в испаритель 19 (на вход "а") и производит переключение форсунки 39 (вход "б") на питание ее разогретыми газами горючего из испарителя 19 (вход "б"). Необходимое давление газов в испарителе поддерживается подачей топлива.

Педаль мощности 55 перемещением подвижного контакта (ползунка) 57 позволяет управлять рабочими циклами от 1-го полуоборота ротора до 25-го (можно и более), тем самым создается возможность "делить" максимальную мощность многократно до допустимо возможной работы двигателя. Это позволяет работать на наиболее экономически выгодном режиме, а также сократить работу переключением скоростей и повысить "эластичность" работы двигателя. Регулировка оборотов холостого хода двигателя производится в ЭБУ 53.

На малых и средних оборотах работы двигателя в ресивере 23, создается избыточное количество сжатого воздуха, которое датчиком избыточного давления 42 с помощью ЭБУ и двухходового переключателя 35 сбрасывается в рабочую камеру 2 двигателя (по уже выше описанному принципу), при этом происходит охлаждение рабочей камеры 2 и роторов двигателя 7, 8 (см. фиг. 1, 2). При сбросе сжатого воздуха напуск горючего не происходит.

Система зажигания в предлагаемом двигателе электронная, бесконтактная, высокой энергии, искрообразованием управляет ЭБУ.

Система охлаждения жидкостная. Чтобы была возможность тормозить двигателем, необходимо в режиме торможения сбрасывать давление в ресивере 23 для чего предназначен управляемый ЭБУ 53 электромагнитный клапан 43, тогда тормозной момент будет образовываться компрессором 3 и вакуумом в рабочей камере 2 двигателя.

Использование предлагаемого двигателя позволит по сравнению с прототипом повысить надежность в эксплуатации, экономичность, технологичность в изготовлении и сделать простым в ремонте.

Это достигается тем, что в предлагаемом двигателе изменена технология работы по сравнению со всеми ныне известными тем, что в ресивере 23 заранее приготавливается сжатый воздух, газообразное горючее в испарителе 19 и система его управления, что обеспечивается его относительно простой и рациональной конструкцией. Сам двигатель имеет только легко вращающиеся роторы, что способствует уменьшению расхода горючего на его собственное вращение. При своей работе двигатель не расходует моторных масел.

В двигателе предлагается использовать для его питания: бензин, керосин, солярку, жидкие газы, разогретые до газообразного состояния его же выхлопными газами, что позволяет сократить расход горючего до 40%, увеличить мощность до 50%, снизить степень сжатия до 7 атм., а заодно обеспечить более полное сгорание и снижение токсичности выхлопных газов.

В предлагаемом двигателе его управление не зависит от степени износа деталей и его отработанного времени, чего никак нельзя сказать о современных ДВС, которые со временем все больше изнашиваются, а затем все больше начинают потреблять моторных масел, горючего и изменяют настроечные данные.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей камерой, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими полостями, внутри которой расположены два параллельных вала, ведущий и ведомый, связанных с синхронизирующей шестеренчатой передачей и снабженных взаимно сопряженными роторами, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен камерой компрессора, повторяющей форму рабочей камеры, роторы которой установлены соосно с роторами двигателя, над которым размещены ресивер с всасывающим и сбрасывающим клапанами и коллектор, в полости которого установлен сбрасывающий клапан, испарителем горючего, расположенным под выхлопным коллектором рабочей камеры, и воздуховодом, огибающим боковую поверхность корпуса, при этом роторы выполнены одинакового профиля с двумя и более лопастями, причем между лопастями, а также лопастями и корпусом двигателя выполнены зазоры.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что всасывающий клапан ресивера выполнен в виде цилиндрического корпуса с крышкой, в нижней части которого имеются отверстия, подвижного цилиндра и пружин, расположенных между цилиндром и крышкой.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сбрасывающий клапан ресивера выполнен в виде цилиндрического корпуса с крышкой, в верхней части которого выполнены отверстия, а внутри корпуса расположен подпружиненный подвижный цилиндр.

4. Система управления двигателя внутреннего сгорания, содержащая электронный блок управления с электронным счетчиком полуоборотов ротора, соединенный с датчиком оборотов (положения) ротора, форсунку, электробензонасос, датчики давления и свечу зажигания, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена педалью управления мощностью, дифференциальным манометром и двухходовым электромагнитным переключателем сжатого воздуха, соединенными с электронным блоком управления, при этом педаль управления мощностью соединена с электронным счетчиком и выполнена с возможностью выбора числа полуоборотов ротора, двухходовой электромагнитный переключатель соединен с ресивером, его сбрасывающим клапаном и атмосферой, а дифференциальный манометр - с ресивером и камерой сгорания.

РИСУНКИ

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