Роторно-поршневой двигатель "fym-1"
Изобретение относится к области двигателестроения. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, рабочий вал с установленным на нем и размещенным в корпусе ротором, источники питания, источники воспламенения и выдвижные заслонки. Выдвижные заслонки установлены в корпусе и делят кольцевую камеру на рабочие полости. Рабочие полости включают в себя камеру расширения с постоянным поперечным сечением, камеру нагнетания и расположенную за камерой расширения газоотводящую систему. Камера нагнетания примыкает к камере расширения со стороны цилиндрической поверхности корпуса. Газоотводящая система выполнена в виде окон, расположенных в стенках рабочей полости. На периферии помещенного в корпус ротора жестко закреплены поршни. Поршни размещены в кольцевой камере и снабжены поверхностью, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения. В концевой части поверхности поршней, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения, установлен источник воспламенения. Изобретение направлено на повышение надежности и эффективности двигателя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
Известны двигатели внутреннего сгорания, которые можно разделить на поршневые, роторно-поршневые, роторно-лопастные и роторные двигатели. Во всех этих двигателях используются кинематические схемы, жестко закрепляющие последовательность и однозначность наступления свершающихся при работе двигателя событий, что является гарантией надежности всех взаимосвязанных в двигателе работающих систем (см., например, кн. Гуськова Г.Г. «Необычные двигатели», М., Знание, 1971 г., патент РФ №2338905, также патент РФ №2133845).
Платой за надежность, связанную с использованием в двигателях жестких кинематических схем, является невозможность активного вмешательства в их работу современных компьютерных технологий, управляющих включением и отключением термодинамических режимов работы двигателя, и, как следствие, сохраняющаяся низкая эффективность этих двигателей. Другим недостатком известных двигателей является сложность их конструкций и используемых в них систем смазки и охлаждения.
В качестве прототипа принят известный роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU №2294443), содержащий корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, которая поделена стационарными перегородками на четыре рабочие полости (две камеры нагнетания и две камеры расширения), рабочий вал с установленным на нем и размещенным в корпусе ротором, систему выдвижных заслонок, встроенных в ротор, источники питания, источники воспламенения, газоотводящую систему.
Во встроенной в корпус кольцевой камере с помощью жестких стационарных перегородок образованы разные по своему функциональному назначению рабочие полости, две камеры расширения и две камеры нагнетания. Внутри кольцевой камеры, на рабочем валу, расположен ротор с установленными на нем четырьмя парами выдвижных заслонок (лопаток). В каждой паре заслонок одна из них выдвигается только в камере нагнетания, куда подается топливная смесь, другая выдвигается только в камере расширения и фактически является поршнем, с помощью которого энергия от горения топливной смеси преобразовывается во вращательное движение ротора. Камеры нагнетания и камеры расширения образованы внешней цилиндрической поверхностью ротора и криволинейными поверхностями внутренней стороны корпуса двигателя, создающими замкнутый объем в виде ячеек. Каждая камера нагнетания имеет впускное окно, а камера расширения - выпускное окно. Выдвигающиеся в полость заслонки подпружинены изнутри ротора и наружным концом свободно упираются в криволинейную поверхность ячеек кольцевой камеры двигателя. Для управления заслонками в роторе установлен кривошипно-шатунный механизм.
При вращении ротора заслонка выдвигается в камеру нагнетания, сжимает передней гранью топливную смесь, находящуюся в этой камере, и, создавая за собой разряжение, засасывает очередную порцию топливной смеси через впускное окно. Из камеры нагнетания топливная смесь попадает в камеру, где она от источника воспламенения, установленного на корпусе, возгорается и переходит в камеру расширения, в которой к этому времени уже выдвинулась заслонка-поршень, воспринимающая давление газов и придающая ротору вращательное движение.
К недостаткам описанного роторного двигателя внутреннего сгорания относятся:
- низкая надежность, связанная с возможностью заклинивания в роторе консольных выдвижных заслонок, воспринимающих изгибающие моменты от давления на них газов и от трения заслонок о поверхности камеры, что может привести не только к поломке двигателя, а, что более опасно для транспортного средства, к внезапной его остановке во время движения на дороге;
- весьма сложный, требующий длительной и трудоемкой доводки до рабочего состояния, потому и ненадежный в работе, кривошипно-шатунный механизм управления заслонками;
- нерациональное изменение рабочей площади заслонок, обусловленное криволинейной конфигурацией полостей, внутри которых эти заслонки перемещаются, что снижает технико-экономические показатели двигателя;
- используемые в двигателе кинематические схемы исключают возможность эффективного управления термодинамическими процессами с применением современных компьютерных технологий.
Целью изобретения является повышение надежности и безопасности двигателя, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных качеств, повышение эффективности за счет новых решений, обеспечивающих применение технологий активного управления термодинамическими процессами.
Поставленная цель достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, рабочий вал с установленным на нем и размещенным в корпусе ротором, источники питания, источники воспламенения, выдвижные заслонки, установленные в корпусе и делящие кольцевую камеру на рабочие полости, которые включают в себя камеру расширения с постоянным поперечным сечением, камеру нагнетания, примыкающую к камере расширения со стороны цилиндрической поверхности корпуса, и расположенную за камерой расширения газоотводящую систему, выполненную в виде окон, расположенных в стенках рабочей полости, причем на периферии помещенного в корпус ротора жестко закреплены поршни, которые размещены в кольцевой камере и снабжены поверхностью, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения, источник воспламенения установлен в концевой части поверхности поршней, обеспечивающих изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения, и представляет собой электрический элемент накаливания. Передняя грань поршня выполнена наклонной, под острым углом к окружности ротора, и имеет криволинейное очертание. Один конец выдвижной заслонки, обращенный в сторону кольцевой камеры, соединен с корпусом посредством жесткой шарнирно крепящейся связи, а боковые грани другого конца снабжены выступами, входящими в пазы, устроенные в корпусе. Камера нагнетания выполнена в виде встроенного в корпус цилиндра, внутри которого помещен элемент дозированной подачи топлива, состоящий из клапана двойного действия, расположенного со стороны впускного отверстия цилиндра и соединенного с приводным штоком, и поршня-клапана, расположенного в цилиндре со стороны выпускного отверстия и соединенного с клапаном двойного действия с помощью устройств, обеспечивающих возможность продольного перемещения поршня-клапана относительно клапана двойного действия. На рабочем валу может быть установлено несколько размещенных в своих корпусах роторов. В этом случае двигатель является многосекционным. Между секциями встраиваются теплообменные устройства. Количество секций, включающих в себя корпус с размещенным внутри ротором, в двигателе может быть любым, в том числе равным единице.
Для установки ротора и других деталей во внутрь корпуса корпус выполнен сборно-разборным, состоящим из двух частей. Количество поршней, установленных на роторе, должно быть меньше или равно количеству рабочих полостей, на которые поделена кольцевая камера. Каждая выдвижная заслонка снабжена пружинным механизмом, который удерживает ее в рабочем состоянии, и замком удержания выдвижной заслонки внерабочем состоянии. В камеру нагнетания топливная смесь под давлением подается из общей распределительной системы или из индивидуальной компрессионной камеры, в которой происходит сжатие топливной смеси при перемещении выдвижной заслонки. Система подачи топливной смеси в камеру нагнетания связана жесткой кинематической связью с выдвижной заслонкой. Для технического осмотра и профилактики источников воспламенения, установленных на поршнях ротора, в корпусе предусмотрено специальное окно. Герметичность кольцевой камеры по контакту с ротором обеспечивается кольцевыми уплотнителями, смонтированными в корпусе. Для повышения долговечности и надежности этих уплотнителей в них предусмотрена полость, в которую нагнетается смазка. Герметичность между стенками кольцевой камеры и поршнем обеспечивается за счет применения смазки, нагнетаемой через смазочно-уплотнительные устройства, смонтированные в корпусе. Для вывода из рабочей полости отработанных газов и воздушного охлаждения двигателя в боковых стенках корпуса предусмотрены окна, соединенные вентиляционной галереей с нагнетателем воздуха. Для улучшения условий охлаждения двигателя диски роторов снабжены установленными под углом к их осям ребрами пропеллерного типа, а в корпусе, в соответствующих им местах, предусмотрены вентиляционные окна.
Управление режимами работы двигателя сводится к включению и отключению рабочих полостей, то есть к управлению замком удержания выдвижной заслонки. При отключенном замке удержания выдвижной заслонки срабатывает пружинный механизм, который вводит выдвижную заслонку в кольцевую камеру и, тем самым, включает в работу рабочую полость. Движущийся внутри кольцевой камеры поршень входит во взаимодействие с выдвижной заслонкой, которая посредством системы рычагов обеспечивает дозированную подачу топливной смеси в камеру нагнетания. В камере нагнетания топливная смесь первоначально удерживается в полости цилиндра, между элементом дозированной подачи топлива и выпускным отверстием, специальной изолирующей поверхностью поршня, перегораживающего выпускное отверстие камеры нагнетания. В тот момент, когда установленный на поршне источник воспламенения оказывается близ камеры нагнетания, приоткрывается выпускное отверстие и топливная смесь через образовавшуюся щель из камеры нагнетания моментально всасывается в камеру расширения, где между поршнем и выдвижной заслонкой к этому времени уже создался вакуум. В первый момент всасывания топливная смесь входит в прямой контакт с источником воспламенения и происходит ее возгорание.
Предлагаемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания представлен на чертежах, где:
фиг.1 - общий вид двигателя;
фиг.2 - разрез А-А для варианта трехсекционного двигателя;
фиг.3 - разрез А-А для варианта односекционного двигателя;
фиг.4 - разрез Б-Б по кольцевой камере;
фиг.5 - общий вид ротора;
фиг.6 - разрез В-В;
фиг.7 - фрагмент установки выдвижной заслонки;
фиг.8 - разрез Г-Г;
фиг.9 - разрез Д-Д;
фиг.10 - фрагмент камеры нагнетания при перемещении элемента дозированной подачи топлива в сторону выпускного отверстия;
фиг.11 - фрагмент камеры нагнетания при перемещении элемента дозированной подачи топлива в сторону впускного отверстия;
фиг.12 - фрагмент уплотнительного кольца, поперечное сечение.
Двигатель состоит из объединенных между собой общим рабочим валом 1 отдельных секций 2. В каждой секции на роторе 3 жестко закреплены поршни 4, которые движутся внутри кольцевой камеры 5 корпуса 6, не соприкасаясь с ней. Кольцевая камера 5 поделена выдвижными заслонками 7 на размещенные между ними рабочие полости, в каждой из которых совершается термодинамический процесс. Рабочие полости включают в себя камеру расширения 8 с постоянным поперечным сечением, примыкающую к ней камеру нагнетания 9 и газоотводящую систему, выполненную в виде вентиляционных окон 10, размещенных в боковых стенках корпуса 6, которые соединены вентиляционной галереей 11 охлаждения двигателя с воздухонагнетательным устройством 37.
Один конец выдвижной заслонки 7, обращенный в сторону кольцевой камеры, соединен с корпусом 6 посредством жесткой шарнирно крепящейся связи 12, а боковые грани другого конца выдвижной заслонки 7 снабжены выступами 13, которые заходят в пазы 14, устроенные в корпусе 6.
Выдвижная заслонка 7 объединена с элементом 15 дозированной подачи топлива, расположенным в камере нагнетания 9, жесткой кинематической связью, представляющей, например, механизм рычажного типа 16. Элемент 15 дозированной подачи топлива состоит из клапана двойного действия 17, соединенного штоком 18 с механизмом рычажного типа 16, и поршня-клапана 19, соединенного с клапаном двойного действия 17 с помощью шпилек или других приспособлений, обеспечивающих возможность перемещения поршня-клапана 19 относительно клапана двойного действия 17.
В корпус 6 вмонтированы пружинный механизм 20 и замок 21 (на чертеже показан условно) удержания выдвижной заслонки 7 в выдвинутом из кольцевой камеры 5 положении.
Ротор, поршни и выдвижные заслонки выполнены из легких тугоплавких сплавов. Поршни 4 оснащены специальной поверхностью 22, предназначенной для изоляции во время работы двигателя камеры нагнетания 9 от камеры расширения 8. В концевой части этой поверхности установлен источник воспламенения 23, представляющий собой электрический элемент накаливания. Источник воспламенения 23 соединен с источником электроснабжения через центральную часть ротора по типу скользящего контакта, используемого, например, в электродвигателях и др. (на чертежах не показано). Передняя грань 24 поршня 4 выполнена наклонной, под острым углом к окружности ротора 3, и имеет криволинейное очертание.
Для технического осмотра и профилактики источников воспламенения 23, установленных на поршнях 4 ротора 3, в корпусе 6 предусмотрено специальное окно 25.
Герметичность кольцевой камеры 5 по контакту между ротором 3 и корпусом 6 обеспечивается кольцевыми уплотнителями 26, смонтированными в корпусе 6. Для повышения долговечности и надежности этих уплотнителей в них предусмотрена специальная полость 27, в которую нагнетается смазка. Герметичность между стенками кольцевой камеры 5 и поршнем 4 обеспечивается за счет применения смазки, нагнетаемой через уплотнительное устройство 28, смонтированное в корпусе 6. Смазка заполняет микроскопическую щель между стенками камеры расширения 8 и движущимся с большой скоростью поршнем 4, препятствуя более быстрому, чем движение поршня внутри камеры расширения, проникновению газов горения через эту щель.
Все управление термодинамическими процессами двигателя осуществляется через компьютер, к которому он подключен. Компьютер включает и отключает отдельные секции 2 двигателя, а также размещенные в них рабочие полости, через включение и отключение замка 21 удержания выдвижной заслонки 7. В неработающем двигателе и в отключенной рабочей полости замки 21 отключены от источника электроэнергии. В этом состоянии замок 21 через связь 12 удерживает выдвижную заслонку в извлеченном из кольцевой камеры 5 положении. При включении замка 21 он отпускает связь 12, и выдвижная заслонка 7 освобождается, а пружинный механизм 20 вдавливает ее в кольцевую камеру.
Топливная смесь подается в камеру нагнетания 9 под большим давлением из общей для всех камер нагнетания распределительной сети (на чертежах не показано) или из индивидуальной компрессионной камеры 29, шток которой шарнирно соединен с концом выдвижной заслонки 7.
На примере термодинамического процесса (цикла), происходящего в одной рабочей полости, можно представить работу отдельной секции и двигателя в целом.
В работающем двигателе поршень 4, перемещаясь по кольцевой камере 5, передней гранью 24 входит во взаимодействие с выдвижной заслонкой 7, выталкивая ее из кольцевой камеры 5 во внутрь корпуса 6. Нижний конец выдвижной заслонки 7, воспринимающий поперечную нагрузку от воздействия на него поршня 4, в этот момент описывает дугу относительно точки крепления связи 12 к корпусу 6 и передает всю поперечную нагрузку от воздействия поршня через связь 12 на корпус 6. Верхний конец выдвижной заслонки 7, снабженный выступами 13, перемещается в плотных пазах 14 корпуса 6. При этом пружина механизма 20 сжимается, а входящий в состав камеры нагнетания 9 элемент дозированной подачи топлива 15, включающий в себя клапан двойного действия 17 и поршень-клапан 19, под воздействием механизма 16, приводимого в действие выдвижной заслонкой 7, перемещается внутри цилиндра 30 от впускного отверстия 32 в сторону выпускного отверстия 31, вытесняет из цилиндра воздух, перемешанный с продуктами горения, и затем перекрывает выпускное отверстие 31. Одновременно с этим клапан двойного действия 17 открывает впускное отверстие 32 и через топливно-подающую трубу 33 цилиндр 30 наполняется топливной смесью. Процесс заполнения цилиндра 30 топливной смесью и перекрытие выпускного отверстия 31 заканчиваются чуть раньше, чем изолирующая поверхность 22 поршня 4 войдет в контакт с выдвижной заслонкой 7 и перекроет выпускное отверстие 31. С этой целью на штоке 18 предусмотрено размещение специального пружинного устройства 34, обеспечивающего возможность большего перемещения конца рычажного механизма 16, по сравнению с перемещением элемента дозированной подачи топлива 15.
В следующий момент продвижения поршня 4 внутри кольцевой камеры 5 выдвижная заслонка 7 оказывается на поверхности 22, которая перекрывает выпускное отверстие 31 камеры нагнетания 9. Для того чтобы обеспечить более плотное взаимодействие поверхности 22 с выпускным отверстием 31, эта поверхность может быть предварительно смазана системой 35, расположенной в шарнире связи 12. Уплотнительная смазка всего поршня 4 по периметру камеры расширения 8 производится устройством 28, которое расположено близ камеры нагнетания 9.
При дальнейшем продвижении поршня 4 по кольцевой камере 5 поршень 4 полностью оказывается в камере расширения 8, и выдвижная заслонка 7 под воздействием пружинного механизма 20 входит во внутрь кольцевой камеры 5 и перекрывает ее. При этом конец выдвижной заслонки 7, соединенный со связью 12, описывает криволинейную траекторию, в результате чего выдвижная заслонка 7 плотно прижимается к стенкам 36 расширенных пазов в корпусе 6.
Срабатывание пружинного механизма 20 возвращает также элемент дозированной подачи топлива 15 в свое первоначальное состояние, то есть когда клапан двойного действия 17 перекрывает впускное отверстие 32 камеры нагнетания 9. По мере продвижения элемента 15 по цилиндру 30 камеры нагнетания 9 его составляющие клапан двойного действия 17 и поршень-клапан 19 разъединяются и топливная смесь, перетекая через образовавшийся разъем, оказывается между элементом 15 и поверхностью 22 поршня 4, которая перекрывает выпускное отверстие 31.
Как только установленный на поршне электрический элемент накаливания 23 оказывается близ камеры нагнетания 9, то тут же в открывшуюся щель из камеры нагнетания 9 в камеру расширения 8, в которой создался вакуум, всасывается топливная смесь, одновременно воспламеняясь от элемента накаливания 23. Поршень 4 газами горения проталкивается по камере расширения 8 к вентиляционному окну 10.
Потоком воздуха, нагнетаемого в вентиляционную галерею 11 воздухонагнетательным устройством 37, двигатель охлаждается изнутри и тем же потоком воздуха отработанные газы выводятся из кольцевой камеры 5. Этот цикл повторяется в каждом подключенном к работе рабочем отсеке, т.е. где включен замок 21 удержания выдвижной заслонки 7, для каждого поршня, закрепленного на роторе. Для охлаждения двигателя во вращающемся роторе 3 предусмотрены пропеллерные лопасти 38, а между секциями 2 размещены теплообменные устройства, например, в виде ребер 40. Для лучшего охлаждения двигателя вентиляционные окна 10, расположенные в противоположных боковых стенках рабочей полости кольцевой камеры, могут быть смещены относительно друг друга в направлении движения ротора. Рабочий вал 1, как правило, целесообразно опирать на корпус посредством подшипников качения 41.
За один оборот ротора в каждой секции двигателя совершается от m до N=m×n термодинамических циклов, где m - количество поршней на роторе, n - количество рабочих полостей, на которые поделена кольцевая камера. Для каждой секции двигателя должно выполняться условие n≥m. Например, в кольцевой камере, поделенной на четыре рабочие полости (n=4), для ротора с поршнями m=3 количество термодинамических процессов (циклов) может составлять, в зависимости от количества подключенных к работе рабочих полостей, то есть выдвижных заслонок, от N=3 до N=12. Двигатель может состоять из одинаковых и разных по своим техническим характеристикам секций.
Максимальная допускаемая скорость вращения рабочего вала данного двигателя, как и для любого другого двигателя внутреннего сгорания, жестко регламентирована. В отличие от известных двигателей внутреннего сгорания в рассматриваемом двигателе максимальная допускаемая скорость вращения ротора, следовательно, и скорость вращения рабочего вала ограничивается возможностью срабатывания пружинного механизма заслонки.
Подключение и отключение секций двигателя и размещенных в них рабочих полостей, например на транспортных средствах, выполняется традиционным способом с помощью вдавливания и отпуска педали. При этом выбор и последовательность их подключения и отключения устанавливаются программным управлением компьютера с учетом обеспечения эффективного охлаждения двигателя.
1. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, рабочий вал с установленным на нем и размещенным в корпусе ротором, источники питания, источники воспламенения, выдвижные заслонки, установленные в корпусе и делящие кольцевую камеру на рабочие полости, которые включают в себя камеру расширения с постоянным поперечным сечением, камеру нагнетания, примыкающую к камере расширения со стороны цилиндрической поверхности корпуса, и расположенную за камерой расширения газоотводящую систему, выполненную в виде окон, расположенных в стенках рабочей полости, причем на периферии помещенного в корпус ротора жестко закреплены поршни, которые размещены в кольцевой камере и снабжены поверхностью, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения, отличающийся тем, что в концевой части поверхности поршней, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения, установлен источник воспламенения.
2. Роторно-поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что источник воспламенения, установленный в концевой части поверхности поршней, представляет собой электрический элемент накаливания.
3. Роторно-поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что передняя грань поршня выполнена наклонной под острым углом к окружности ротора и имеет криволинейное очертание.
4. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, рабочий вал с установленным на нем и размещенным в корпусе ротором, источники питания, источники воспламенения, выдвижные заслонки, установленные в корпусе и делящие кольцевую камеру на рабочие полости, которые включают в себя камеру расширения с постоянным поперечным сечением, камеру нагнетания, примыкающую к камере расширения со стороны цилиндрической поверхности корпуса, и расположенную за камерой расширения газоотводящую систему, выполненную в виде окон, расположенных в стенках рабочей полости, причем на периферии помещенного в корпус ротора жестко закреплены поршни, которые размещены в кольцевой камере и снабжены поверхностью, обеспечивающей изоляцию камеры нагнетания от камеры расширения, отличающийся тем, что один конец выдвижных заслонок, обращенный в сторону кольцевой камеры, соединен с корпусом посредством жесткой шарнирно крепящейся связи, а боковые грани другого конца снабжены выступами, входящими в пазы, устроенные в корпусе.
5. Роторно-поршневой двигатель по п.4, отличающийся тем, что камера нагнетания выполнена в виде встроенного в корпус цилиндра, внутри которого помещен элемент дозированной подачи топлива, состоящий из клапана двойного действия, расположенного со стороны впускного отверстия цилиндра и соединенного с приводным штоком, и поршня-клапана, расположенного в цилиндре со стороны выпускного отверстия и соединенного с клапаном двойного действия с помощью устройств, обеспечивающих возможность продольного перемещения поршня-клапана относительно клапана двойного действия.
6. Роторно-поршневой двигатель по п.4, отличающийся тем, что на рабочем валу установлено несколько роторов, размещенных в отдельных корпусах, и между корпусами встроены теплообменные ребра.
