Способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания и устройство для его реализации

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет увеличить степень сжатия топливовоздушной смеси, повысить эффективность ее использования, повысить КПД двигателя и снизить вибрационные нагрузки. Способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания заключается в перемещении компрессионной лопасти в компрессионной камере, заполнении этой камеры свежим зарядом топливовоздушной смеси. В камеру сгорания нагнетается и сжимается топливовоздушная смесь, заполнившая компрессионную камеру в предыдущем цикле, воспламеняется топливовоздушная смесь. В рабочей камере, отделенной гребнями от компрессионной камеры, расширяющиеся газы давят на рабочую лопасть, осуществляя ее рабочий ход и вращение ротора. При этом вытесняются отработанные газы предыдущего рабочего цикла. В способе используют стопорные механизмы для фиксации компрессионных и рабочих лопастей. Рабочую лопасть фиксируют при прохождении этой лопастью гребня, отделяющего по ходу движения рабочую камеру от компрессионной камеры, при этом освобождая от фиксации компрессионную лопасть и сохраняя это состояние компрессионной и рабочей лопастей при прохождении ими компрессионной камеры до следующего по ходу движения гребня, при прохождении которого освобождают рабочую лопасть от фиксации и фиксируют компрессионную лопасть, сохраняя это состояние компрессионной и рабочей лопастей при прохождении ими рабочей камеры до следующего по ходу движения гребня, и этим завершают рабочий цикл. Роторный двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа содержит корпус, вал, дисковый и кольцевой конструктивные узлы, размещенные в корпусе с возможностью взаимного вращения. Дисковый конструктивный узел включает диск с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены компрессионные и рабочие лопасти, между которыми расположены камеры сгорания. Кольцевой конструктивный узел включает коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещен кольцевой элемент с волнообразной поверхностью, образующей гребни и впадины. Волнообразная поверхность кольцевого элемента обращена к торцевой поверхности диска с пазами, совместно с которой и наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра образует компрессионные и рабочие камеры, разделенные гребнями кольцевого элемента с волнообразной поверхностью. В гребнях кольцевого элемента с волнообразной поверхностью с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы. Каждая компрессионная и рабочая лопасть подпружинена посредством упругого элемента относительно диска с пазами или корпуса, при этом внутри корпуса размещены стопорные механизмы с возможностью фиксации компрессионных и рабочих лопастей в заданном положении относительно диска с пазами. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности к двигателестроению.

Известен способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), при котором перемещают лопасть в компрессионной камере и заполняют свежим зарядом топливовоздушной смеси часть этой компрессионной камеры, при этом в другой ее части сжимают топливовоздушную смесь, заполнившую компрессионную камеру в предыдущем цикле. Используя систему каналов в статоре и роторе, перемещают сжатую топливовоздушную смесь в рабочую камеру, часть которой в данный момент используют в качестве камеры сгорания, воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами давят на лопасть, обеспечивая ее рабочий ход, при этом вытесняя из рабочей камеры отработанные газы предыдущего цикла, US 4401070.

Недостатком этого способа является то обстоятельство, что часть воспламененной смеси возвращается в зону сжатия, используя те же упомянутые каналы в статоре и роторе, что снижает эффективность этого способа.

Известен также способ осуществления рабочего цикла роторного ДВС, при котором путем перемещения компрессионной лопасти в компрессионной камере заполняют ее свежим зарядом топливовоздушной смеси. Одновременно в камеру сгорания, сжимая, нагнетают топливовоздушную смесь, заполнившую компрессионную камеру в предыдущем цикле. Воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами в рабочей камере давят на рабочую лопасть и этим обеспечивают рабочий ход ДВС. Одновременно движущейся рабочей лопастью вытесняют из рабочей камеры отработанные газы предыдущего цикла, US 5429084.

Данный способ осуществления рабочего цикла роторного ДВС принят за прототип настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является неэффективное использование сжатой топливовоздушной смеси в рабочем цикле. Это обусловлено тем, что значительная часть воспламененной топливовоздушной смеси выбрасывается в атмосферу через рабочую камеру и выпускной канал с противоположной свече зажигания стороны ротора. Кроме того, в рабочем цикле сжимают только часть объема топливовоздушной смеси, заключенной между соседними лопастями, что обусловливает невысокую степень сжатия топливовоздушной смеси и также снижает эффективность этого способа.

Задачей настоящего изобретения, в части способа, является увеличение степени сжатия топливовоздушной смеси и повышение эффективности ее использования.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что рабочий цикл в роторном ДВС осуществляется вследствие того, что путем перемещения компрессионной лопасти в компрессионной камере, заполняют ее свежим зарядом топливовоздушной смеси, при этом в камеру сгорания нагнетая и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую компрессионную камеру в предыдущем цикле, воспламеняют топливовоздушную смесь и в рабочей камере, отделенной гребнями от компрессионной камеры, расширяющимися газами давят на рабочую лопасть, обеспечивая ее рабочий ход и вращение ротора, одновременно вытесняя отработанные газы предыдущего рабочего цикла, при этом новым является то, что используют стопорные механизмы для фиксации компрессионной и рабочей лопастей, фиксируют рабочую лопасть при прохождении этой лопастью гребня, отделяющего по ходу движения рабочую камеру от компрессионной камеры, при этом освобождая от фиксации компрессионную лопасть и сохраняя это состояние компрессионной и рабочей лопастей при прохождении ими компрессионной камеры до следующего по ходу движения гребня, при прохождении которого освобождают рабочую лопасть от фиксации и фиксируют компрессионную лопасть, сохраняя это состояние компрессионной и рабочей лопастей при прохождении ими рабочей камеры до следующего по ходу движения гребня, и этим завершают рабочий цикл.

Заявителем не выявлены решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Благодаря осуществлению отличительных признаков настоящего изобретения в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются новые важные свойства заявленного объекта. Каждой компрессионной лопастью сжимают топливовоздушную смесь из всего объема компрессионной камеры, значительно увеличивая степень сжатия топливовоздушной смеси; исключают перемешивание свежего заряда топливовоздушной смеси с отработанными газами, так как камера сгорания не связана с каналами на противоположной стороне ротора от свечи зажигания.

В результате значительно повышается эффективность рабочего цикла.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».

Для реализации способа осуществления рабочего цикла по настоящему изобретению предлагается роторный двигатель внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий статор, в котором цилиндрическими поверхностями разного диаметра образованы две полости, соединенные между собой каналами и в одну из которых помещен ротор с камерами сгорания, в другую - ротор, в радиальных пазах которого размещены лопасти, и которую этот ротор разделяет на компрессионную и рабочую зоны, FR 1302333 А.

Недостатком устройства является то, что воспламенение топливовоздушной смеси производится в изолированном объеме камеры сгорания с резким повышением в ней давления и температуры, приводящим к быстрому износу деталей и материалов, подверженных воздействию этих факторов. При этом время эффективного использования давления сгоревших газов относительно мало, так как мало время прохождения камерой сгорания канала, соединяющего ее с рабочей зоной, что обуславливает низкий коэффициент полезного действия (КПД). Более позднее воспламенение топливовоздушной смеси во время прохождения камерой сгорания канала, соединяющего ее с рабочей камерой, уменьшает степень сжатия топливовоздушной смеси еще до ее воспламенения, что также обуславливает низкий КПД. Кроме того, возможно резкое уменьшение степени сжатия топливовоздушной смеси в случае, если ко времени прохождения камерой сгорания канала, соединяющего ее с рабочей зоной, соответствующая лопасть еще не перекроет для топливовоздушной смеси путь к выхлопному патрубку.

Известен ДВС, содержащий корпус с торцевыми крышками и размещенный в нем на валу ротор, состоящий из внутреннего цилиндра, внешнего обода и перегородки, расположенной перпендикулярно оси вала и параллельно торцевым крышкам в пространстве между внешним ободом и внутренним цилиндром. Перегородка делит ротор на две части вдоль оси вала, образуя с одной стороны от нее компрессионные камеры, а с другой - рабочие камеры, и в перегородке выполнены пазы, в которых размещены лопасти с возможностью возвратно-поступательного движения параллельно оси вала между эквидистантными криволинейными внутренними поверхностями торцевых крышек. ДВС также содержит камеры сгорания и внешний трубопровод, соединяющий компрессионные камеры и камеры сгорания, RU 2266413.

Недостатком ДВС является, то обстоятельство, что компрессионные камеры соединены с камерами сгорания внешним трубопроводом и для создания заданной степени сжатия в камерах сгорания необходимо создавать такую же степень сжатия и во всем объеме внешнего трубопровода (по длине соизмеримого с осевым размером ДВС, а по объему - с единичным объемом камеры сгорания). Кроме того, в предложенной конструкции осуществляется непрерывное вращение камер сгорания, что, с одной стороны, ограничивает время поступления сжатого воздуха и его количества в камеру сгорания от компрессионной камеры через внешний трубопровод, во вторых, ограничивает время поступления расширяющихся газов в рабочую камеру, в особенности, с учетом времени распространения пламени и времени, необходимого для полного сгорания топливовоздушной смеси от момента зажигания (причины, по которым в современных двигателях предусмотрено опережение зажигания топливовоздушной смеси).

Простую конструкцию имеет роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту US 5551853, содержащий корпус, вал, дисковый и кольцевой конструктивные узлы, размещенные в корпусе с возможностью взаимного вращения, причем дисковый конструктивный узел включает диск с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены компрессионные и рабочие лопасти, между которыми расположены камеры сгорания, а кольцевой конструктивный узел содержит коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещен кольцевой элемент с волнообразной поверхностью, образующей гребни и впадины, при этом волнообразная поверхность кольцевого элемента обращена к торцевой поверхности диска, совместно с которой и наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра образует компрессионные и рабочие камеры, разделенные гребнями кольцевого элемента с волнообразной поверхностью, причем в гребнях кольцевого элемента с волнообразной поверхностью с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы.

Данное техническое решение принято за прототип устройства настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент полезного действия (КПД). Это объясняется тем, что значительная часть воспламененной рабочей смеси выбрасывается в атмосферу через выпускной канал со стороны ротора противоположной свече зажигания. Кроме того, устройство по патенту US 5551853 требует минимум 6 лопастей для полного рабочего цикла двигателя, при этом при сжатии рабочей смеси используется только часть объема компрессионной камеры между двумя соседними лопастями. Это обусловливает невысокую степень сжатия рабочей смеси и, соответственно, также негативно влияет на КПД.

Недостатком прототипа также являются поочередные некомпенсированные осевые силовые воздействия на дисковый и кольцевой конструктивные узлы и вал при расширении воспламененной топливовоздушной смеси, что приводит к значительным вибрационным нагрузкам на вал и другие конструктивные узлы ДВС.

Задачей настоящего изобретения, в части устройства, является повышение коэффициента полезного действия роторного двигателя внутреннего сгорания, снижение вибрационных нагрузок.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, вал, дисковый и кольцевой конструктивные узлы, размещенные в корпусе с возможностью взаимного вращения, причем дисковый конструктивный узел включает диск с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены компрессионные и рабочие лопасти, между которыми расположены камеры сгорания, а кольцевой конструктивный узел включает коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещен кольцевой элемент с волнообразной поверхностью, образующей гребни и впадины, при этом волнообразная поверхность кольцевого элемента обращена к торцевой поверхности диска с пазами, совместно с которой и наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра образует компрессионные и рабочие камеры, разделенные гребнями кольцевого элемента с волнообразной поверхностью, причем в гребнях кольцевого элемента с волнообразной поверхностью с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, новым является то, что каждая компрессионная и рабочая лопасть со стороны диска с пазами подпружинена посредством упругого элемента относительно диска с пазами или корпуса, при этом внутри корпуса размещены стопорные механизмы с возможностью фиксации компрессионных и рабочих лопастей в заданном положении относительно диска с пазами.

Заявителем не выявлены технические решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Благодаря реализации отличительных признаков настоящего изобретения в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются новые свойства заявленного объекта. Каждая компрессионная лопасть сжимает полный объем топливовоздушной смеси, находящейся в компрессионной камере, и на каждую рабочую лопасть воздействует весь заряд расширяющихся газов воспламененной топливовоздушной смеси с обеспечением ее полного сгорания. В результате значительно повышается КПД.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - разрез двигателя по оси вала (по линии А-А на фиг.2);

на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.3 - разрез В-В на фиг.2.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, в котором размещены дисковый 2 и кольцевой 3 конструктивные узлы с возможностью взаимного вращения. На фиг.1 дисковый 2 и кольцевой 3 конструктивные узлы выделены пунктирными контурами, при этом сами контуры условны и принадлежность конкретной детали к соответствующему конструктивному узлу 2 или 3 определена ниже в описании. В конкретном варианте кольцевой конструктивный узел 3 установлен на валу 4, а дисковый конструктивный узел 2 закреплен в корпусе 1 и включает диск 5 с пазами 6, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены компрессионные 7 и рабочие 8 лопасти, между которыми расположены камеры сгорания 9. Кольцевой конструктивный узел 3 содержит коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы 10 и 11, соответственно большего 10 и меньшего 11 диаметров, между которыми размещен кольцевой элемент 12 с волнообразной поверхностью, образующей гребни 13 и впадины 14. Волнообразная поверхность кольцевого элемента 12 обращена к торцевой поверхности диска 5, совместно с которой и наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра 11, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра 10 образует компрессионные 15 и рабочие 16 камеры, разделенные гребнями 13 кольцевого элемента 12 с волнообразной поверхностью, причем в гребнях 13 кольцевого элемента 12 с волнообразной поверхностью с чередованием через один гребень выполнены впускные 17 и выпускные 18 каналы. Компрессионные 7 и рабочие 8 лопасти подпружинены посредством упругих элементов 19 (в конкретном варианте - пружинами, хотя могут быть подпружинены иными элементами, использующими, например, пневматические или электромагнитные силы) для обеспечения контакта компрессионных лопастей 7 и рабочих лопастей 8 с волнообразной поверхностью кольцевого элемента 12. Стопорные механизмы 20 и 21 установлены для поочередной фиксации каждой из компрессионных 7 или рабочих 8 лопастей в заданном положении относительно диска 5. В конкретном варианте для управления положением стопорных механизмов 20 и 21 установлены электромагниты 22. Возможно использование для этих же целей иных механизмов, например кулачкового механизма. Блок управления на чертежах не показан. Для воспламенения топливовоздушной смеси в корпусе 1 установлены свечи зажигания 23.

Пуск роторного двигателя внутреннего сгорания осуществляется стартером, на чертежах не показан.

Кольцевой конструктивный узел 3 вместе с валом 4 вращается в направлении, противоположном вращению часовой стрелки (фиг.2), что соответствует его направлению движения вниз на фиг.3, показанному стрелкой. Рабочий процесс в ДВС рассмотрим после запуска на примере одного рабочего цикла (фиг.3) с момента, когда находящиеся в зоне компрессионной камеры 15 компрессионная лопасть 7 не удерживается стопорным механизмом 20 и рабочая лопасть 8 удерживается стопорным механизмом 21 (стопорные механизмы показаны на фиг.1), а находящиеся в зоне рабочей камеры 16 компрессионная лопасть 7 удерживается стопорным механизмом 20 и рабочая лопасть 8 не удерживается стопорным механизмом 21. Рассмотрим рабочий цикл при последовательном движении кольцевого конструктивного узла 3 вниз относительно дискового конструктивного узла 2 (можно рассмотреть рабочий цикл на фиг.3 при условном движении дискового конструктивного узла 2 вверх относительно кольцевого конструктивного узла 3).

При движении вниз кольцевого конструктивного узла 3 (фиг.3) за компрессионной лопастью 7 в компрессионной камере 15 создается разрежение и через впускной канал 17 компрессионная камера 15 заполняется свежим зарядом топливовоздушной смеси. Одновременно компрессионной лопастью 7 сжимается свежий заряд топливовоздушной смеси, заполнивший компрессионную камеру 15 в предыдущем цикле и находящийся перед этой лопастью (на чертеже часть компрессионной камеры, расположенная выше компрессионной лопасти 7). Этот заряд заполняет камеру сгорания 9, находящуюся в это время в зоне компрессионной камеры 15. При дальнейшем движении кольцевого конструктивного узла 3 гребень 13 кольцевого элемента 12 с волнообразной поверхностью перемещается сначала за рабочую лопасть 8, которая освобождается от фиксации стопорным механизмом 21, а затем за компрессионную лопасть 7, которая фиксируется стопорным механизмом 20 в крайнем правом положении. В камере сгорания 9, находящейся теперь в зоне рабочей камеры 16, топливовоздушная смесь воспламеняется и давлением расширяющихся газов на волнообразную поверхность кольцевого элемента 12 обеспечивается рабочий ход двигателя. Одновременно из рабочей камеры 16 через выпускной канал 18 вытесняются отработавшие газы предыдущего рабочего цикла. Следует отметить, что рассмотренные процессы в компрессионной 15 и в рабочей 16 камерах происходят одновременно, но с участием разных камер сгорания 9 и с соответствующим положением компрессионной 7 и рабочей 8 лопастей, охватывающих соответствующую камеру сгорания 9. Как отмечено выше: управление электромагнитными стопорными механизмами 20 и 21 для фиксации и освобождения от фиксации компрессионных 7 и рабочих 8 лопастей осуществляется блоком управления, на чертежах не показан.

Роторный двигатель внутреннего сгорания по настоящему изобретению прост в реализации и в обслуживании, так как содержит небольшое количество деталей. В нем значительно снижен удельный расход топлива, что улучшает экологию при его эксплуатации. В роторном ДВС по настоящему изобретению значительно уменьшены вибрации и шумы. Изложенное свидетельствует о том, что роторный ДВС по настоящему изобретению может быть использован в автомобилестроении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленно применимо».

1. Способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания, при котором путем перемещения компрессионной лопасти в компрессионной камере заполняют эту камеру свежим зарядом топливовоздушной смеси, при этом в камеру сгорания нагнетая и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую компрессионную камеру в предыдущем цикле, воспламеняют топливовоздушную смесь и в рабочей камере, отделенной гребнями от компрессионной камеры, расширяющимися газами давят на рабочую лопасть, осуществляя ее рабочий ход и вращение ротора, при этом вытесняя отработанные газы предыдущего рабочего цикла, отличающийся тем, что используют стопорные механизмы для фиксации компрессионных и рабочих лопастей, фиксируют рабочую лопасть при прохождении этой лопастью гребня, отделяющего по ходу движения рабочую камеру от компрессионной камеры, при этом освобождая от фиксации компрессионную лопасть и сохраняя это состояние компрессионной и рабочей лопастей при прохождении ими компрессионной камеры до следующего по ходу движения гребня, при прохождении которого освобождают рабочую лопасть от фиксации и фиксируют компрессионную лопасть, сохраняя это состояние компрессионной и рабочей лопастей при прохождении ими рабочей камеры до следующего по ходу движения гребня, и этим завершают рабочий цикл.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, вал, дисковый и кольцевой конструктивные узлы, размещенные в корпусе с возможностью взаимного вращения, причем дисковый конструктивный узел включает диск с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены компрессионные и рабочие лопасти, между которыми расположены камеры сгорания, а кольцевой конструктивный узел включает коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещен кольцевой элемент с волнообразной поверхностью, образующей гребни и впадины, при этом волнообразная поверхность кольцевого элемента обращена к торцевой поверхности диска с пазами, совместно с которой и наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра образует компрессионные и рабочие камеры, разделенные гребнями кольцевого элемента с волнообразной поверхностью, причем в гребнях кольцевого элемента с волнообразной поверхностью с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, отличающийся тем, что каждая компрессионная и рабочая лопасть подпружинена посредством упругого элемента относительно диска с пазами или корпуса, при этом внутри корпуса размещены стопорные механизмы с возможностью фиксации компрессионных и рабочих лопастей в заданном положении относительно диска с пазами.