Роторный механизм газораспределения двигателя
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что роторный механизм газораспределения двигателя, состоящий из головки блока, устанавливаемой на четырехцилиндровый рядный двигатель, с роторами, согласно изобретению состоит из роторов с камерами сгорания, турбины с угловым редуктором и шестерен привода. Поршни в цилиндрах выполняют функции нагнетателя воздуха или горючей смеси в камеры сгорания, которое сгорает при постоянном объеме, а выходящие потоки газов непосредственно воздействуют на лопасти турбины, с которой снимается мощность. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам газораспределения двигателей внутреннего сгорания, и может быть применено на карбюраторных и дизельных двигателях с рядным или V-образным расположением цилиндров.
Известны роторно-поршневые двигатели, в которых впускные и выпускные окна вместе с вращающимся поршневым ротором выполняют функции роторного механизма газораспределения (Автомобильные и тракторные двигатели, Высшая школа, 1969 г., стр.201-207).
Основными недостатками двигателя являются применение кинематической схемы с кривошипно-шатунным механизмом, в которой эффективность работы газов при ступенчатой передаче движения от поршня через шатун на кривошип составляет всего 42-47%, а также клапанного механизма газораспределения, не обеспечивающего полноту наполнения цилиндров горючей смесью и очистку цилиндров от отработавших газов.
В современных двигателях внутреннего сгорания повышение мощностных характеристик связано с совершенствованием систем подготовки топлива к сгоранию и полноты наполнения цилиндров горючей смесью, очистки цилиндров от отработавших газов, повышением степени сжатия и применением высокооктановых топлив и турбонаддува в цилиндры, снижением вредных выбросов от продуктов сгорания в атмосферу и др. Указанные меры требуют больших затрат на их осуществление и использование сложных технологий.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что роторный механизм газораспределения двигателя, состоящий из головки блока, устанавливаемой на четырехцилиндровый рядный двигатель, с роторами, согласно изобретению состоит из четырех роторов с камерами сгорания и сменных гильз роторов, турбины с угловым редуктором и шестерен привода, в головке блока вдоль продольной ее оси сделано отверстие, против каждого цилиндра сделаны по три щелевых окна для подвода воздуха от воздушной полости турбины к щелевым каналам для всасывания воздуха или горючей смеси в цилиндры и нагнетания этого воздуха или горючей смеси в камеры сгорания, для выхода потока газов к турбине, а также отверстия для продувки камер сгорания от оставшихся отработанных газов, полости для охлаждающей жидкости, сменные гильзы запрессованы в продольное отверстие головки блока против каждого цилиндра и имеют щелевые окна и отверстия, аналогичные выполненным в головке блока, роторы камер сгорания расположены против цилиндров и вращаются в сменных гильзах, на скользящих подшипниках, фиксируемых в сменных гильзах, внутри каждого ротора выполнены полости четырех камер сгорания и четыре щелевых окна, имеющих выход наружу, через эти окна в камеру сгорания нагнетается воздух или горючая смесь из цилиндра и после ее сгорания происходит выход потока газов к турбине, в углублениях возле щелевых окон камер сгорания установлены пружинные разъемные уплотнительные рамки, между щелевыми окнами на наружных поверхностях роторов сделаны щелевые каналы для прохода воздуха из воздушной полости турбины к щелевым окнам цилиндров, на одном торце каждого ротора выполнен шлицевой конец, на другом торце выполнено гнездо со шлицами, которыми роторы соединены между собой, турбина установлена на валу углового редуктора, закрепленного на консоли головки блока, рабочая плоскость турбины размещена параллельно рабочей плоскости кольца щелевых окон выпуска потока газов, консоль углового редуктора с турбиной может устанавливаться под углом к продольной вертикальной плоскости головки блока, за один оборот коленчатого вала ротор поворачивается на угол 90 градусов, при движении поршня вниз к НМТ воздух из воздушной полости турбины через щелевое окно головки блока и наружный щелевой канал ротора поступает в щелевое окно цилиндра и далее в полость цилиндра, при этом впрыскивается топливо через форсунку, установленную в щелевом окне головки блока, поршни в цилиндрах выполняют функции нагнетателя воздуха в камеры сгорания, при движении поршня вверх к ВМТ воздух смешивается с топливом и нагнетается в камеру сгорания ротора, щелевое окно которой в этот момент расположено против щелевого окна цилиндра, при подходе поршня к ВМТ и дальнейшем вращении ротора щелевое окно камеры сгорания уходит от щелевого окна цилиндра и камера сгорания закрывается, в ней происходит процесс физико-химической подготовки топлива к сгоранию, затем подается искра, горючая смесь сгорает при постоянном объеме, затем щелевое окно ротора подходит к щелевому окну выхода потока газов к турбине и открывается, происходит расширение газов и их работа, при работе двигателя на холостом ходу в два или три цилиндра прекращается подача топлива, в этих цилиндрах включаются в работу декомпрессоры, снижающие затраты энергии на сжатие воздуха, в варианте со степенью сжатия 13-14 единиц топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания и через короткий промежуток времени после его подготовки к сгоранию воспламеняется от свечи.
Поставленная задача достигается также тем, что ротор круглой формы, внутри ротора выполнены четыре полости камер сгорания, расположенные друг к другу под углом 90 градусов, которые отделены от полостей цилиндров, в каждой камере сгорания сделано одно щелевое окно, через это окно в камеру сгорания нагнетается воздух или смесь воздуха с топливом из полости цилиндра и выходит поток газов к турбине при их расширении, в углублениях щелевых окон камер сгорания установлены пружинные разъемные уплотнительные рамки, на наружной поверхности ротора между щелевыми окнами сделаны щелевые каналы и по окружности посадочные места для двух скользящих подшипников, последние установлены и фиксируются в сменных гильзах, на одном торце ротора выполнен шлицевой конец, на другом торце шлицевое гнездо, которыми роторы соединены между собой.
Поставленная задача достигается также тем, что в головке блока выполнено продольное цилиндрическое отверстие, куда против каждого цилиндра запрессованы сменные гильзы, в головке блока и сменных гильзах против каждого цилиндра сделаны по три щелевых канала для входа воздуха из воздушной полости турбины для всасывания воздуха в полость цилиндра, для выхода потока газов, а также отверстия для продувки камер сгорания от оставшихся отработанных газов и полости для охлаждающей жидкости, установлена свеча зажигания и две топливных форсунки, одна форсунка может подавать топливо непосредственно в камеру сгорания, другая форсунка может подавать топливо в наружный щелевой канал ротора, снаружи щелевых окон выхода потока газов к турбине установлено рабочее кольцо, к которому примыкает рабочая плоскость турбины, поршни в цилиндре выполняют функции нагнетателя воздуха в камеры сгорания, в которых процессы подготовки горючей смеси и ее сгорание происходят при постоянном объеме.
Поставленная задача достигается также тем, что турбина установлена на угловом редукторе, закрепленном на консоли головки блока, рабочая плоскость турбины параллельна плоскости рабочего кольца щелевых окон выхода потока газов и перпендикулярна вертикальной продольной плоскости головки блока, консоль с угловым редуктором и турбиной может быть установлена под углом к продольной вертикальной плоскости головки блока, угловой редуктор соединен с коленчатым валом двигателя через шестерни, в средней части турбины установлена малая воздушная турбина для подачи воздуха к цилиндрам и охлаждения головки блока.
Поставленная задача достигается также тем, что в варианте со степенью сжатия 13-14 единиц топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания из форсунки и через короткий промежуток времени после его подготовки к сгоранию воспламеняется от свечи.
Поставленная задача достигается также тем, что при работе двигателя на холостом ходу в два или три цилиндра прекращается подача топлива, в этих цилиндрах включаются в работу декомпрессоры, снижающие затраты энергии на сжатие воздуха.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 представлен описываемый механизм двигателя;
на фиг.2 - то же, часть механизма на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сверху на фиг.1;
на фиг.4 показан ротор механизма газораспределения.
В описываемом роторном механизме газораспределения двигателя камеры сгорания вращаются и отделены от цилиндров. Поршни в цилиндрах выполняют функции нагнетателя воздуха или горючей смеси в камеры сгорания, которая сгорает при постоянном объеме, а выходящие потоки газов непосредственно воздействуют на лопасти турбины. Кинематической схемой двигателя является ротор-турбина с прямой передачей движения (работы газов). В связи с этим обычный двигатель внутреннего сгорания становится реактивно-турбинным двигателем импульсного типа с более высоким крутящим моментом и соответственно мощностью.
Устройство состоит из головки блока 1, установленной на 4-цилиндровый рядный двигатель 2, четырех роторов 3 с камерами сгорания 4 и сменными гильзами 5, турбины 6 с угловым редуктором 7 и шестернями привода 8. В головке блока 1 вдоль ее продольной оси сделано отверстие 21, против каждого цилиндра 9 сделаны по три щелевых окна: щелевое окно 22 для подвода воздуха от воздушной полости 23 турбины к щелевому каналу 24 ротора 3, щелевое окно 25 для всасывания воздуха или горючей смеси в цилиндр 9, щелевое окно 26 для выхода потока газов к турбине 6, а также отверстия 27 для продувки воздухом камер сгорания 4 ротора 3 и полость 28 для охлаждающей жидкости. Сменные гильзы 5 запрессованы в отверстие 21 головки блока 1, против каждого цилиндра 9 в сменных гильзах 5 выполнены щелевые окна и отверстия аналогично головке блока 1. Каждый ротор 3 расположен против цилиндра 9 и вращается на двух скользящих подшипниках 10, установленных в сменной гильзе 5 и фиксированных в ней. Внутри ротора 3 выполнены четыре полости камер сгорания 4 с одним щелевым окном 29 в каждой камере сгорания 4. Снаружи ротора 3 выполнен щелевой канал 24, в углублениях ротора 3 возле щелевого окна 29 расположены пружинные разъемные уплотнительные рамки 11. На одном торце ротора 3 сделан шлицевой конец 12, а на другом торце сделано гнездо 13 со шлицами внутри, которыми роторы 3 соединены между собой. Турбина 6 установлена на валу 14 углового редуктора 7, закрепленного на консоли 15 головки блока 1. Рабочая плоскость 16 турбины 6 расположена параллельно рабочей плоскости кольца 17 щелевых окон 26. Консоль 15 с угловым редуктором 7 и турбиной 6 может устанавливаться под углом "ϕ" к продольной вертикальной плоскости головки блока 1. Топливо может подаваться через форсунку 19 в щелевой канал 24 ротора 3 или непосредственно в камеру сгорания 4 через форсунку 20.
Описываемое устройство работает следующим образом. При вращении коленчатого вала двигателя поршень 18 движется вниз к НМТ. Ротор 3 поворачивается по часовой стрелке, щелевой канал 24 ротора 3 подходит к щелевому окну 25 цилиндра 9, и воздух или смесь воздуха с топливом всасываются в полость цилиндра 9. При подходе поршня к НМТ и повороте ротора 3 щелевое окно 29 камеры сгорания 4 подходит к щелевому окну 25 цилиндра 9 и открывает его. Поршень 18 движется вверх к ВМТ, сжимает смесь воздуха с топливом и нагнетает их в камеру сгорания 4. При подходе поршня 18 к ВМТ в камере сгорания 4 щелевое окно 29 закрывается. Сжатая горючая смесь проходит физико-химическую подготовку в течение 360° по углу поворота коленчатого вала. В этот период поршень 18 наполняет воздухом или смесью воздуха с топливом очередную камеру сгорания 4. В предыдущей камере сгорания 4 горючая смесь воспламеняется искрой от свечи 30, происходит процесс сгорания, затем щелевое окно 29 открывает щелевое окно 26, и импульс потока сжатых газов с высокой скоростью вылетает к лопастям турбины 6 и вращает ее. Далее происходит продувка камеры сгорания 4 воздухом через отверстия 27, и процесс повторяется. За один оборот коленчатого вала ротор 3 повернется на угол 90°. Весь процесс от начала сжатия в камере сгорания до выхода потока газов к турбине происходит за 720-800° угла поворота коленчатого вала. При работе двигателя на холостом ходу в два или три цилиндра прекращается подача топлива, в этих цилиндрах включаются в работу декомпрессоры 31, соединенные с полостями цилиндров 9 и снижающие затраты энергии на сжатие воздуха. Двигатель с роторным механизмом газораспределения может работать на бедных смесях всех видов топлив с воздухом, в том числе нефти и газа без антидетонационных присадок, а также в "преддизельном" варианте со степенью сжатия 13-14 единиц с впрыском топлива непосредственно в камеру сгорания и одновременным его воспламенением искрой от свечи.
По расчетам от сгорания в камере сгорания одного заряда горючей смеси (принят применительно к заряду двигателя ВАЗ 2108) среднее давление импульса потока газов на лопасти турбины составит 50 кг, за один оборот коленчатого вала - четыре импульса, крутящий момент с учетом угла расположения лопастей к рабочей плоскости турбины - Мкр=32,5 кгм, мощность N=136 л.с. По аналогии с обычным двигателем, в котором за один оборот происходит два рабочих хода поршня, указанную мощность следует считать N=136·2=272 л.с.
1. Роторный механизм газораспределения двигателя, состоящий из головки блока, устанавливаемой на четырехцилиндровый рядный двигатель, с роторами, отличающийся тем, что он состоит из четырех роторов с камерами сгорания и сменных гильз роторов, турбины с угловым редуктором и шестерен привода, в головке блока вдоль продольной ее оси сделано отверстие, против каждого цилиндра сделаны по три щелевых окна для подвода воздуха от воздушной полости турбины к щелевым каналам, для всасывания воздуха или горючей смеси в цилиндры и нагнетания этого воздуха или горючей смеси в камеры сгорания, для выхода потока газов к турбине, а также отверстия для продувки камер сгорания от оставшихся отработанных газов, полости для охлаждающей жидкости, сменные гильзы запрессованы в продольное отверстие головки блока против каждого цилиндра и имеют щелевые окна и отверстия, аналогичные выполненным в головке блока, роторы камер сгорания расположены против цилиндров и вращаются в сменных гильзах на скользящих подшипниках, фиксируемых в сменных гильзах, внутри каждого ротора выполнены полости четырех камер сгорания и четыре щелевых окна, имеющих выход наружу, через эти окна в камеру сгорания нагнетается воздух или горючая смесь из цилиндра и после ее сгорания происходит выход потока газов к турбине, в углублениях возле щелевых окон камер сгорания установлены пружинные разъемные уплотнительные рамки, между щелевыми окнами на наружных поверхностях роторов сделаны щелевые каналы для прохода воздуха из воздушной полости турбины к щелевым окнам цилиндров, на одном торце каждого ротора выполнен шлицевой конец, на другом торце выполнено гнездо со шлицами, которыми роторы соединены между собой, турбина установлена на валу углового редуктора, закрепленного на консоли головки блока, рабочая плоскость турбины размещена параллельно рабочей плоскости кольца щелевых окон выпуска потока газов, консоль углового редуктора с турбиной может устанавливаться под углом к продольной вертикальной плоскости головки блока, за один оборот коленчатого вала ротор поворачивается на угол 90°, при движении поршня вниз к НМТ воздух из воздушной полости турбины через щелевое окно головки блока и наружный щелевой канал ротора поступает в щелевое окно цилиндра и далее в полость цилиндра, при этом впрыскивается топливо через форсунку, установленную в щелевом окне головки блока, поршни в цилиндрах выполняют функции нагнетателя воздуха в камеры сгорания, при движении поршня вверх к ВМТ воздух смешивается с топливом и нагнетается в камеру сгорания ротора, щелевое окно которой в этот момент расположено против щелевого окна цилиндра, при подходе поршня к ВМТ и дальнейшем вращении ротора щелевое окно камеры сгорания уходит от щелевого окна цилиндра, и камера сгорания закрывается, в ней происходит процесс физико-химической подготовки топлива к сгоранию, затем подается искра, горючая смесь сгорает при постоянном объеме, затем щелевое окно ротора подходит к щелевому окну выхода потока газов к турбине и открывается, происходит расширение газов и их работа, при работе двигателя на холостом ходу в два или три цилиндра прекращается подача топлива, в этих цилиндрах включаются в работу декомпрессоры, снижающие затраты энергии на сжатие воздуха, в варианте со степенью сжатия 13-14 единиц топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания и через короткий промежуток времени после его подготовки к сгоранию воспламеняется от свечи.
2. Роторный механизм газораспределения двигателя по п.1, отличающийся тем, что ротор круглой формы, внутри ротора выполнены четыре полости камер сгорания, расположенные друг к другу под углом 90°, которые отделены от полостей цилиндров, в каждой камере сгорания сделано одно щелевое окно, через это окно в камеру сгорания нагнетается воздух или смесь воздуха с топливом из полости цилиндра и выходит поток газов к турбине при их расширении, в углублениях щелевых окон камер сгорания установлены пружинные разъемные уплотнительные рамки, на наружной поверхности ротора между щелевыми окнами сделаны щелевые каналы и по окружности посадочные места для двух скользящих подшипников, последние установлены и фиксируются в сменных гильзах, на одном торце ротора выполнен шлицевой конец, на другом торце шлицевое гнездо, которыми роторы соединены между собой.
3. Роторный механизм газораспределения двигателя по п.1, отличающийся тем, что в головке блока выполнено продольное цилиндрическое отверстие, куда против каждого цилиндра запрессованы сменные гильзы, в головке блока и сменных гильзах против каждого цилиндра сделаны по три щелевых канала для входа воздуха из воздушной полости турбины для всасывания воздуха в полость цилиндра, для выхода потока газов, а также отверстия для продувки камер сгорания от оставшихся отработанных газов и полости для охлаждающей жидкости, установлена свеча зажигания и две топливных форсунки, одна форсунка может подавать топливо непосредственно в камеру сгорания, другая форсунка может подавать топливо в наружный щелевой канал ротора, снаружи щелевых окон выхода потока газов к турбине установлено рабочее кольцо, к которому примыкает рабочая плоскость турбины, поршни в цилиндре выполняют функции нагнетателя воздуха в камеры сгорания, в которых процессы подготовки горючей смеси и ее сгорание происходят при постоянном объеме.
4. Роторный механизм газораспределения двигателя по п.1, отличающийся тем, что турбина установлена на угловом редукторе, закрепленном на консоли головки блока, рабочая плоскость турбины параллельна плоскости рабочего кольца щелевых окон выхода потока газов и перпендикулярна вертикальной продольной плоскости головки блока, консоль с угловым редуктором и турбиной может быть установлена под углом к продольной вертикальной плоскости головки блока, угловой редуктор соединен с коленчатым валом двигателя через шестерни, в средней части турбины установлена малая воздушная турбина для подачи воздуха к цилиндрам и охлаждения головки блока.
