Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания с разделенным циклом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения: двигатель содержит одну рабочую (расширительную) и одну продувочную (нагнетательную) камеры переменного объема с роторами, установленными на одном валу, и устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя. При этом расширительная машина снабжена основными камерами сгорания, расположенными в корпусе последней, а разделенные камеры сгорания - в полостях золотников. Нагнетательная камера через обратный клапан, воздуховод и продувочный канал соединена с рабочей камерой, образуя агрегат продувки рабочей камеры. При этом продувочный и выпускной каналы перекрываются телом ротора, а полые золотники разделенных камер сгорания снабжены испарителями топлива. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области силовых установок, работающих на горючих газах или продуктах сгорания, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия, с разделенным термодинамическим циклом, когда сжатие заряда и сгорание топлива происходят в импульсной камере постоянного объема, а расширение продуктов сгорания - в рабочих камерах расширительной машины. Оно может быть использовано, например, в легковых автомобилях, работающих на дизельном или альтернативных топливах, в условиях высокой частоты вращения.

Известны двигатели с раздельным термодинамическим циклом, например, по авт. св. СССР 828780. В этих двигателях компрессор и расширительная машина выполнены в виде поршневых машин, что делает силовую установку громоздкой и тяжелой.

Наиболее близким по количеству сходных признаков с заявленным устройством является двигатель, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, которые образуют камеры переменного объема, вал двигателя, впускной и выпускной тракты, устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя (патент 2264969, кл. F 02 B 53/00, 1975).

Недостатком известного ДВС является то, что он выполнен по традиционной схеме - с совмещенным термодинамическим циклом; это не позволяет полностью реализовать преимущества, которые предоставляет использование в ДВС различных типов машин - компрессора и расширительной машины и разделенного термодинамического цикла.

Задачей данного изобретения является улучшение термодинамического цикла ДВС за счет использования разных типов машин - компрессора для реализации циклов сжатия и расширительной машины для реализации циклов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, в результате чего повышаются мощностные, экономические и экологические показатели.

Мощность двигателя может быть существенно увеличена за счет увеличения массы воздуха поступающего в рабочую камеру из продувочной камеры расширительной машины. Изохорный процесс подвода теплоты к рабочему телу у двигателя, работающего на дизельном топливе, повысит индикаторный кпд и среднее индикаторное давление. Индикаторный кпд также будет увеличен за счет пленочного смесеобразования на испарителе топлива. Наличие воздуха в основной и разделенной камерах сгорания (так называемое расслоение заряда) обеспечит хорошее использование кислорода воздуха, при котором достигается бездымный выпуск при малом коэффициенте избытка воздуха и меньшей токсичности отработавших газов.

Для решения указанной задачи предлагаемый ДВС в дополнение к вышеперечисленным существенным признакам, сходным с признаками прототипа, снабжен роторно-поршневым компрессором с впускными золотниками, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема. Кроме того, двигатель снабжен роторно-поршневой расширительной машиной, ротор которой образует с внутренней полостью корпуса, по меньшей мере, одну рабочую (расширительную) и одну продувочную (нагнетательную) камеры переменного объема, при этом расширительная машина снабжена основными камерами сгорания, расположенными в корпусе последней, а разделенные камеры сгорания - в полостях золотников, причем ротор компрессора и ротор расширительной машины установлены на одном валу двигателя, с которым кинематически связаны валы золотников компрессора и камер сгорания. Кроме того, нагнетательная камера через обратный клапан, воздуховод и продувочный канал соединена с рабочей камерой, образуя агрегат продувки рабочей камеры, при этом продувочный и выпускной каналы перекрываются телом ротора. Кроме того, полые золотники разделенных камер сгорания снабжены испарителями топлива.

В частном случае реализации ДВС предлагается схема, в которой ротор компрессора образует с внутренней полостью корпуса две камеры переменного объема - камеры сжатия, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей, с двумя вершинами, а ротора - по эпитрохоиде, кроме того, ротор расширительной машины образует с внутренней полостью корпуса две рабочие и две продувочные камеры, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей с четырьмя вершинами, а ротор - по эпитрохоиде. Продувочный воздух поступает в рабочую камеру через каналы в торцевой крышке компрессора и в корпусе компрессора - продувочный канал, а испаритель топлива имеет форму внутренней поверхности топливного факела форсунки со штифтовым распылителем.

На фиг.1 изображен общий вид двигателя (вид со стороны компрессора).

На фиг.2 - разрез по 1-1.

На фиг.3 - вид со снятым компрессором.

На фиг.4 - вид со снятым компрессором, узел 1.

На фиг.5 - вид со снятой торцевой крышкой компрессора, узел 2.

На фиг.6, 7 - положение впускного золотника компрессора.

На фиг.8-13 - положение золотника разделенной камеры сгорания в процессе термодинамического цикла.

Двигатель состоит из компрессора и роторно-поршневой расширительной машины, см. фиг.1, 2, 3 и 4 (на фиг.1 компрессор условно не показан).

Расширительная машина содержит полый корпус 1, внутри которого расположен ротор 2, вращающийся на эксцентриковом валу 3 (вал съема мощности) с эксцентриком 4, и разделенную камеру сгорания с вращающимся золотником 5 с каналами 7, сдвинутыми друг относительно друга на 180^o. Расширительная машина снабжена основной камерой сгорания 8, соединенной с разделенной камерой сгорания каналом 10. Компрессор содержит полый корпус 11, внутри которого расположен ротор 12, вращающийся на эксцентрике 13 эксцентрикового вала 3. Впуск воздуха в компрессор производится через золотник 14, а подача воздушного заряда из камеры сжатия в разделенную камеру сгорания - через канал 15. Расширительная машина перекрыта торцевой крышкой 16, а компрессор - торцевой крышкой 17. Вал 18 золотника 7 снабжен испарителем 19, имеющим форму внутренней поверхности топливного факела форсунки со штифтовым распылителем. Воздух из продувочной камеры в рабочую камеру поступает через прямоточный, лепестковый обратный клапан 20, трубопровод 21 и каналы 22, 23, а также продувочный канал 24. Выпуск отработавших газов происходит через канал 25 и трубопровод 26. На фиг.3 показаны рабочая камера 27, продувочная камера 28.

На фиг. 2 подвижные и неподвижные шестерни компрессора и расширительной машины условно не показаны (показаны только места их установки). Последние аналогичны двигателю Ванкеля. У расширительной машины и у компрессора радиусы большой и малой шестерен, эксцентриситет и параметр формы - одинаковые. Проведенные расчеты показали, что в этом случае площадь камеры сжатия примерно в три раза больше, чем площадь рабочей камеры. Это позволяет уменьшить высоту камеры сжатия, соответственно, в три раза, см. фиг.2 и 5. Благодаря этому уменьшается масса ротора.

Контур рабочей полости расширительной машины образуется внешней огибающей с четырьмя вершинами, а контур ротора - эпитрохоидой. В результате этого ротор образует с рабочей полостью две рабочие и две нагнетательные (продувочные) камеры. Контур рабочей полости компрессора образуется внешней огибающей с двумя вершинами, а контур ротора - эпитрохоидой. В результате этого ротор образует с рабочей полостью две камеры сжатия.

На фиг. 3 штрихпунктирной линией показан контур рабочей полости компрессора, а также пунктирной линией - положение поршня ротора компрессора в в.м.т. - при максимальном объеме камеры сжатия.

Конструктивные параметры, приведенные выше, приводят к тому, что частота вращения эксцентрикового вала в 2 раза больше частоты вращения ротора компрессора и в 4 раза больше ротора расширительной машины.

Цепочная передача между эксцентриковым валом и золотниками 7 и 14 (на чертежах не показана) обеспечивает передаточное отношение 1:2.

Двигатель работает следующим образом.

За каждый оборот эксцентрикового вала ротор компрессора совершает пол оборота, что соответствует одному циклу - впуск и сжатие. На фиг.6 и 7 показано положение впускного золотника 14. На фиг.6 показано его положение в момент открытия, а на фиг.7 - в момент закрытия. Из этих фигур видно, что период открытия и закрытия золотника составляют 90^o, т.е. впуск воздуха и процесс его сжатия происходят через 90^o поворота ротора. На фиг.8 показано положение золотника 5 разделенной камеры сгорания в момент открытия канала 15, через который происходит перетекание сжатого воздушного заряда из камеры сжатия. В этот момент ротор компрессора находится в некотором положении, обеспечивающем подпорное давление, примерно 40^o поворота ротора от в.м.т., исключающее пропуск отработавших газов из разделенной камеры сгорания в камеру сжатия (в конце такта расширения в предыдущем цикле). На фиг.9 показан момент закрытия канала 14 (соответствует положению золотника на фиг.8). На фиг. 10 - положение золотника в момент закрытия канала 15. В этом положении золотника канал 14 закрыт и происходит впрыск топлива. Момент открытия этого канала наступает (фиг.11) через угол ϕ_см, который равен периоду задержки воспламенения - определяется экспериментально. Ротор расширительной машины в момент открытия канала 14 находится в в.м.т. или близко от нее (определяется положением эксцентрика 4). В результате этого обеспечивается изохорный процесс подвода теплоты к рабочему телу. После воспламенения топливно-воздушной смеси последняя под большим давлением поступает в основную камеру сгорания 8, в которой происходит сгорание топлива с последующим расширением продуктов сгорания в рабочей камере. На фиг.12 и 13 показано промежуточное положение золотника. В процессе впрыска топлива форсункой со штифтовым распылителем последнее растекается тонкой пленкой по испарителю 19, в результате чего происходит пленочное смесеобразование в камере сгорания.

В конце процесса расширения открывается сначала канал 25, перекрываемый ротором, и происходит свободный выпуск отработавших газов, а затем канал 24, через который в рабочую камеру поступает продувочный воздух из нагнетательной камеры, в результате чего происходит принудительный выпуск. При дальнейшем вращении ротора расширительной машины начинается сжатие поршнем ротора в основной камере сгорания 8 воздуха, оставшегося после продувки рабочей камеры. Процесс расширения и выпуска осуществляется в течении 90^o поворота ротора - по 45^o каждый (эксцентриковый вал поворачивается на 360^o).

Далее циклы повторяются. В следующем цикле перетекание воздушного заряда из камеры происходит через другой канал в золотнике, при повороте последнего на 180^o, в момент открытия канала 15.

Все процессы во второй рабочей камере сдвинуты на 180^o по отношению к рассмотренной.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема, вал двигателя, впускной и выпускной тракты, устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя, отличающийся тем, что он снабжен роторно-поршневым компрессором с впускными клапанами или золотниками, содержащим полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема, кроме того, двигатель снабжен роторно-поршневой расширительной машиной, ротор которой образует с внутренней полостью корпуса по меньшей мере одну рабочую (расширительную) и одну продувочную (нагнетательную) камеры переменного объема, при этом расширительная машина снабжена основными камерами сгорания, расположенными в корпусе последней, а разделенные камеры сгорания - в полостях золотников, причем ротор компрессора и ротор расширительной машины установлены на одном валу двигателя, с которым кинематически связаны валы золотников компрессора и камер сгорания, кроме того, нагнетательная камера через обратный клапан, воздуховод и продувочный канал соединена с рабочей камерой, образуя агрегат продувки рабочей камеры, причем продувочный и выпускной каналы перекрываются телом ротора, кроме того, полые золотники разделенных камер сгорания снабжены испарителями топлива.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор компрессора образует с внутренней полостью корпуса две камеры переменного объема - камеры сжатия, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей с двумя вершинами, а ротора - по эпитрохоиде, кроме того, ротор расширительной машины образует с внутренней полостью корпуса две рабочие и две продувочные камеры, причем контур внутренней полости корпуса выполнен по внешней огибающей с четырьмя вершинами, а ротор - по эпитрохоиде.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что продувочный воздух поступает в рабочую камеру через каналы в торцевой крышке компрессора, в теле ротора компрессора и в корпусе компрессора - продувочный канал.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что испаритель топлива имеет форму внутренней поверхности топливного факела форсунки со штифтовым распылителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.08.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---