Роторно-поршневой двигатель
Изобретение относится к двигателестроению. Роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный полый корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, элементы подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементы газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя. По крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла управляемые форсунки подачи горючего и окислителя. Элементы подачи рабочего тела установлены в роторе. На входе сопла расположены свеча зажигания и управляемые форсунки подачи воды или водяного пара. Двигатель содержит по крайней мере один коммутируемый перепускной канал между рабочими камерами двигателя для передачи плазмы из одной камеры в другую. Сопло Лаваля содержит расположенную на входе сопла форсунку для подачи плазмы, соединенную с указанным перепускным каналом. Двигатель может содержать расположенную на выходе сопла форсунку подачи дополнительной воды. Двигатель может содержать конический шток, установленный в критическом сечении сопла Лаваля с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла и возможностью подачи на него электрического потенциала. Техническим результатом является упрощение конструкции, повышение надежности и экономичности, уменьшение неуравновешенности двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторно-поршневым двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.
Уровень техники
Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля, включающий цилиндрический корпус (статор) и трехгранный ротор-поршень. Внутренняя поверхность корпуса (цилиндра) в поперечном сечении выполнена по эпитрохоиде. Внутри корпуса движется трехгранный ротор-поршень, который постоянно разделяет камеру на рабочие зоны, в которых происходят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. При этом роль поршней выполняют три стороны ротора, а на углах ротора установлены уплотнения. Ротор-поршень установлен свободно на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала (Ротопоршневые двигатели [сб. статей]. Госуд. союзный научно-исследовательский тракторный институт. Труды НАТИ). Выпуск 179. М. ОНТИ, 1968 (с.11-14).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии полого корпуса с цилиндрической внутренней поверхностью и ротора, установленного внутри корпуса с возможностью вращения.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что ротор (ротор-поршень) установлен на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является роторно-поршневой двигатель, содержащий неподвижный полый корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, элементы подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементы газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя, при этом по крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла управляемые форсунки подачи горючего и окислителя (Патент RU №2053396 C1, F02C 5/04, 1996).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии неподвижного полого корпуса, установленного в корпусе с возможностью вращения ротора с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, элементов подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементов газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя, при этом по крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла управляемые форсунки подачи горючего и окислителя.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в наличии форкамер, расположенных в статоре, в которых происходит основной процесс сгорания топлива, а также в расположении элементов подачи рабочего тела в статоре.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении конструкции двигателя, повышении его надежности, в уменьшении действия на двигатель внутренних неуравновешенных сил в процессе вращения ротора, в экономии углеводородного горючего.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в том, что все элементы двигателя расположены в роторе. При этом в двигателе нет такта расширения как такового, а энергия сгоревшего топлива сохраняется в течение определенного времени (пока не упадет давление в связи с преодолением сил трения). Благодаря этому момент движущей силы, создаваемый давлением рабочего тела, тратится только на совершение полезной работы, преодоление сил трения внутри двигателя и выход газа через уплотнительные элементы. В двигателе отсутствуют циклы всасывания, сжатия и расширения, а цикл выхлопа происходит без применения дополнительных деталей. Кроме того, нет необходимости применять впускные и выпускные клапаны, а также их привод; полностью исключен механизм газораспределения.
Достигается технический результат тем, что роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный полый корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, установленные в роторе элементы подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементы газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя, по крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла управляемые форсунки подачи горючего и окислителя, свечу зажигания и управляемые форсунки подачи воды или водяного пара, при этом двигатель содержит по крайней мере один коммутируемый перепускной канал между рабочими камерами двигателя для передачи плазмы из одной камеры в другую, а сопло Лаваля содержит расположенную на входе сопла форсунку для подачи плазмы, соединенную с указанным перепускным каналом.
Достигается технический результат также тем, что двигатель содержит расположенную на выходе сопла форсунку подачи дополнительной воды.
Достигается технический результат также тем, что двигатель содержит конический шток, установленный в критическом сечении сопла Лаваля с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла и возможностью подачи на него электрического потенциала.
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в том, что элементы подачи рабочего тела установлены в роторе, на входе сопла расположены свеча зажигания и управляемые форсунки подачи воды или водяного пара, двигатель содержит по крайней мере один коммутируемый перепускной канал между рабочими камерами двигателя для передачи плазмы из одной камеры в другую, а сопло Лаваля содержит расположенную на входе сопла форсунку для подачи плазмы, соединенную с указанным перепускным каналом.
Перечень чертежей
На фиг.1 схематично показан роторно-поршневой двигатель (в поперечном сечении); на фиг.2 отдельно показана рабочая камера двигателя (объемное углубление в роторе); на фиг.3 отдельно показано сопло Лаваля (элемент подачи рабочего тела).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный полый корпус 1, выполняющий функцию статора двигателя; при этом корпус имеет внутреннюю рабочую поверхность 2 по форме прямого кругового цилиндра (т.е. направляющая поверхности 2 имеет форму окружности, а с торцов корпус закрыт крышами). Внутри корпуса 1 соосно с цилиндром его внутренней рабочей поверхности 2 установлен ротор 3, выполненный в виде прямого кругового цилиндра с боковой поверхностью 4, сопряженной с рабочей поверхностью 2 корпуса (статора) 1. В роторе со стороны его боковой поверхности 4 выполнены по крайней мере две рабочие камеры 5(1) и 5(2) двигателя в виде объемных углублений. Между поверхностью 2 корпуса и поверхностью 4 ротора установлены уплотнительные элементы 6 (показано четыре уплотнительных элемента). Двигатель также содержит установленные в роторе 3 элементы 7(1) и 7(2) подачи рабочего тела и как минимум один элемент газообмена (не показан). Кроме того, каждая рабочая камера 5(1) и 5(2) (объемное углубление в роторе) имеет два типа поверхностей - движущую поверхность и тормозящую поверхность. В приведенном на фиг.2 примере рабочая камера 5 (т.е. каждая рабочая камера 5(1) и 5(2) на фиг.1) выполнена в виде пирамиды с прямоугольным основанием ABCD, являющимся движущей поверхностью рабочей камеры 5, и вершиной Е. При этом тормозящей поверхностью рабочей камеры 5 является боковая грань ADE указанной пирамиды. Указанные поверхности (основание ABCD и боковая грань ADE) выделяются как движущая и тормозящая вследствие того, что нормаль к поверхности ABCD ориентирована в направлении вращения ротора 3 (по часовой стрелке относительно рисунка), а нормаль к поверхности ADE ориентирована в против направления вращения ротора 3 (против часовой стрелки относительно рисунка); при этом эффективная площадь поверхности ABCD (площадь прямоугольника) превышает эффективную площадь поверхности ADE (площадь треугольника). Что касается других граней пирамиды (ABE и DCE), то они в рабочем процессе участвуют в незначительной степени, так как, во-первых, площади этих граней равны между собой, а нормали к ним ориентированы противоположно друг к другу, а во-вторых, очень малый угол между плоскостью вращения ротора и гранями ABE и DCE обуславливает маленькую тормозящую силу, т.к. нормаль раскладывается по правилу параллелограмма. При этом каждый элемент 7(1) и 7(2) подачи рабочего тела установлен в соответствующей рабочей камере на грани ABCD. Кроме того, в роторе 3 по его оси 8 выполнен продольный (осевой) канал 9, от которого отходит по крайней мере один поперечный канал 10, соединяющий указанный продольный канал с соответствующим элементом 7(1) и 7(2) подачи рабочего тела. Каждый элемент 7(1) и 7(2) подачи рабочего тела установлен так, что поток истекающего из него рабочего тела направлен от грани ABCD в направлении к внутренней поверхности корпуса (как показано двойной стрелкой на фиг.1), что дополнительно к силе, обусловленной давлением газа внутри углубления (рабочая камера 5) и тем самым вращающей ротор 3, добавляет динамическую составляющую.
Двигатель также содержит по крайней мере один элемент газообмена (не показан), который расположен в роторе двигателя.
Двигатель также снабжен по крайней мере одним коммутируемым перепускным каналом 11(1) и/или 11(2) между рабочими камерами двигателя (элементы коммутации не показаны). Каждый канал 11(1) и 11(2) предназначен для управляемой (дозированной) передачи плазмы из одной рабочей камеры 5 в другую, например из камеры 5(1) в камеру 5(2) или наоборот, с использованием соответствующего элемента подачи рабочего тела, соответственно, 7(2) или 7(1).
Каждый элемент подачи рабочего тела 7(1) и 7(2) представляет собой сопло Лаваля 12 (фиг.3). При этом на входе сопла Лаваля установлены форсунки подачи горючего 18, окислителя 13, воды (или водяного пара) 14 и плазмы 15. Кроме того, в критическом сечении сопла установлен конический шток 16 с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла, на который во время работы двигателя подается электрический потенциал (относительно корпуса сопла 12), а на выходе сопла уставлена форсунка 17 для подачи дополнительной воды.
Работа роторно-поршневого двигателя заключается в следующем.
В сопло Лаваля 12, являющееся, например, элементом 7(1) подачи рабочего тела рабочей камеры 5(1) (фиг.1), при помощи его форсунок 18 и 13 (фиг.3) первоначально, т.е. в момент запуска двигателя подают горючее (например, бензин) и окислитель (например, воздух), при этом горючее поджигают при помощи свечи зажигания (не показана), вследствие чего в сопле Лаваля 12, являющемся элементом 7(1) подачи рабочего тела, образуется плазма, поступающая в рабочую камеру 5(1). Затем через форсунку 14 в сопло Лаваля 12 подают воду или водяной пар и одновременно на шток 16 подают электрический потенциал высокого напряжения (относительно корпуса сопла). Плазма, образованная сжиганием горючего (бензина), в сочетании с действием электрического поля приводит к разложению воды на водород и кислород; водород сгорает, вследствие чего происходит существенное увеличение объема рабочего тела в камере 5(1) при относительно малом расходе бензина. Образовавшееся таким образом рабочее тело производит в рабочей камере 5(1) необходимую работу. Одновременно часть плазмы из рабочей камеры 5(1) по коммутируемому перепускному каналу 11(1) поступает в элемент 7(2) подачи рабочего тела другой рабочей камеры 5(2) через форсунку 15 соответствующего сопла Лаваля. Кроме того, в сопло Лаваля 12 элемента 7(2) подачи рабочего тела через его (сопла) форсунку 14 подают воду или водяной пар, а на шток 16 этого сопла подают высокий электрический потенциал. Под действием плазмы, поступившей по коммутируемому перепускному каналу 11(1), и электрического поля между штоком 16 и корпусом сопла происходит разложение воды в сопле Лаваля 12 элемента 7(2) подачи рабочего тела с образованием водорода и кислорода. Водород под действием плазмы сгорает, вследствие чего в сопле Лаваля 12 элемента 7(2) подачи рабочего тела образуется рабочее тело, поступающее в рабочую камеру 5(2) и производящее там необходимую работу. В сопло Лаваля 12 элемента 7(2) подачи рабочего тела одновременно с водой и плазмой может подаваться бензин (форсунка 18), а также воздух (форсунка 13), что увеличит объем рабочего тела. Кроме того, через форсунку 17 каждого сопла Лаваля подают дополнительную воду, которая в зависимости от режима работы двигателя, определяемого бортовым компьютером, может либо разлагаться на водород и кислород, увеличивая тем самым количество топлива и окислителя в камере, либо превращаться в пар, который далее производит работу в качестве рабочего тела (режим паровой машины).
Камеры 5(1) и 5(2) и соответствующие им элементы 7(1) и 7(2) подачи рабочего тела, а также коммутируемые перепускные каналы 11(1) и 11(2) симметричны: вышеописанный процесс может начинаться с рабочей камеры 5(2). Вариации режимов работы двигателя могут осуществляться в широких пределах прежде всего бортовым компьютером, который по тому или иному алгоритму открывает и закрывает форсунки 18, 13, 14, 15 каждого сопла Лаваля. Режим работы двигателя также определяется положением штока 16 в области критического сечения сопла Лаваля.
В каждой рабочей камере 5(1) и 5(2) протекают следующие процессы. Рабочее тело, находящееся под высоким давлением в камере 5, оказывает давление на движущую поверхность ABCD и тормозящую поверхность ADE (фиг.2). Поскольку эффективная площадь движущей поверхности ABCD больше эффективной площади тормозящей поверхности ADE, то и момент силы, действующей на ротор 3 в движущем направлении (по часовой стрелке относительно фиг.1), больше момента силы, действующей на ротор в тормозящем направлении. Вследствие этого ротор 3 вращается. При повороте ротора на определенный угол при помощи элемента газообмена (не показан) сбрасывают давление газа в соответствующей камере 5. Далее цикл повторяется.
1. Роторно-поршневой двигатель, содержащий неподвижный полый корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, элементы подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементы газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя, по крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла управляемые форсунки подачи горючего и окислителя, отличающийся тем, что элементы подачи рабочего тела установлены в роторе, на входе сопла расположены свеча зажигания и управляемые форсунки подачи воды или водяного пара, двигатель содержит по крайней мере один коммутируемый перепускной канал между рабочими камерами двигателя для передачи плазмы из одной камеры в другую, а сопло Лаваля содержит расположенную на входе сопла форсунку для подачи плазмы, соединенную с указанным перепускным каналом.
2. Роторно-поршневой двигатель по п.1, который содержит расположенную на выходе сопла форсунку подачи дополнительной воды.
3. Роторно-поршневой двигатель по п.1, который содержит конический шток, установленный в критическом сечении сопла Лаваля с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла и возможностью подачи на него электрического потенциала.
