Роторный двигатель внутреннего сгорания и способ сжигания топлива в нем

Изобретение относится к энергетике. Способ сжигания топлива осуществляется в роторном двигателе внутреннего сгорания. В корпусе двигателя размещены камера сгорания, являющаяся завихрителем, ротор со сферическими лопастями с уплотнительными лопатками и сопрягающиеся с ротором выемки золотников. Сферическая вихревая камера сгорания вынесена на обратную сторону золотника, смещена и развернута в сторону образования полости «рабочий ход» и имеет два глухих канала. Через глухие каналы осуществляется тангенциальный подвод сжатого воздуха и отвод расширяющихся газов. Предусмотрено использование дополнительного золотника для сброса остаточного давления из камеры сгорания и ее продувки с использованием двух каналов после разворота ротора свыше 60 градусов от продольной оси. На выхлопе выполнен завихритель с глухим каналом для концентрации выхлопных газов и удаления воздуха из выемки второго золотника в полость такта «впуск». В выемке основного золотника предусмотрен компенсатор. Компенсатор переводит сжатый воздух, оказавшийся между сопрягающимися поверхностями золотника и лопасти ротора, с последующим освобождением в зоне действия такта «рабочий ход» для поддержания процесса горения. Изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение экологичности и экономичности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для сжигания топлива с использованием на судах, локомотивах, в дорожно-строительной технике, на тракторах, автомобилях, вездеходах, в авиации, стационарно и в переносных вариантах.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками, эксцентрично установленный в корпусе ротор с радиальными пазами, в которых размещены лопасти, а также системы топливоподачи и газообмена (RU 2011866 по кл. F02B 53/00 от 14.09.1990г.). В двигателе ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции. В теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений. Наружная поверхность ротора, внутренняя поверхность корпуса и боковые поверхности пластин дополнительно покрыты слоем карбида кремния.

Однако этот известный двигатель не позволяет надежно изолировать сжимающую смесь очередного цикла от горячей смеси предыдущего.

По патенту RU 2330972, кл. F02B 53/08 от 15.12.20060г. известен роторный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из смещенных по фазе компрессора и силовой машины. Конструкция представляет собой агрегат из клапанов с вырезами и роторов с лопастями, синхронно вращающихся в камерах, имеющих зону, ограниченную левой и правой мертвыми точками. Система газораспределения состоит из передаточной камеры, один конец которой касается выреза в клапане компрессора в момент прохождения лопастью ротора левой мертвой точки. Другой конец касается выреза клапана силовой машины в момент прохождения лопастью ее ротора через правую мертвую точку. Система газораспределения включает канал сопровождения, который начинается в вырезе клапана силовой машины и не доходит до него с другой стороны на величину мертвой зоны, и полость, соединяющую кратчайшим путем рабочую зону силовой машины с трассой канала сопровождения.

Недостатком такого двигателя является сложность кинематической и технологической системы.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с полостью цилиндрической формы (RU 2336427, Кл. F02B 53/14 от 03.04.2007г.). В корпусе выполнены впускное и выпускное отверстия, торцевые крышки, ротор цилиндрической формы, жестко связанный с валом. Ротор имеет два паза, выполненные один против другого на внешней поверхности, с возможностью размещения в каждом из них поршня качения месяцеобразной формы с закрепленным на нем диском большего диаметра, имеющим зубчатое сцепление с внутренней поверхностью корпуса. На внутренней поверхности корпуса диаметрально расположены два разделительных выступа для формирования герметичных объемов всасывания и рабочего вместе с ротором поршнями качения и внутренней поверхностью корпуса. В одном из разделительных выступов выполнено отверстие, в котором размещен шток с возможностью перемещения в радиальном направлении для изменения объема сжатия, впускное и выпускное отверстия выполнены напротив штока по обе стороны разделительного выступа. На внутренней поверхности каждой торцевой крышки выполнен перепускной продольный канал, между торцевыми крышками и ротором размещены герметизирующие пластины. А месяцеобразные поршни качения снабжены уплотнительными полукольцами.

Однако наличие большого количества деталей усложняет конструкцию данного двигателя внутреннего сгорания.

Известен способ сжигания топлива путем возбуждения в камере сгорания акустических колебаний с определенным спектром частот и амплитуд (авт.св. СССР №1361424, кл. F23C 11/00 от 1987г.). По этому способу спектр частот акустических колебаний поддерживают аналогичным спектру собственных частот камеры сгорания.

Недостатком этого способа является применение дополнительных устройство для возбуждения акустических колебаний и наличие шумов. воспринимаемых человеком, а также повышенные тепловые потери в стенки.

Известен способ сжигания топлива различных видов (RU 2003923 от 30.11.1993г.). Способ включает раздельную подачу окислителя и топлива. Топливо и окислитель подают встречными, равноудаленными струями, образуя однородный кольцевой слой горючей смеси. По достижении этим слоем толщины h инициируют детонацию в указанном слое. После этого непрерывно подают топливо и окислитель, поддерживая детонационно способный слой горючей смеси в пропорции L≥(6÷15)h, где L - длина замкнутого кольцевого слоя, h - критический размер детонации горючей смеси. Недостаток - слабый уровень перемешивания горючей смеси.

Известен патент RU 2133351 C1, F02B 19/08, 1999г. «Вихрекамерный дизель», где вихревые потоки во время сжатия воздуха закручены в одну сторону, при воспламенении топливно-воздушной смеси вихревые потоки камеры сгорания хаотичные и начинают раскручиваться в противоположную сторону, переводя энергию расширяющихся газов в сторону поршня.

Известен патент RU 2359136 С2, F02B 19/14, 2009г. «Двигатель внутреннего сгорания и способ сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания», где в вихревой камере сгорания используются тепловые вставки для создания вихревых потоков, что влечет к увеличению аэродинамического сопротивления на пути вихревых потоков.

Известен патент США №2920610, Нкл. 123/246, опубликованный 12.01.1960г., представляющий собой четырехтактный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с впускным и выпускным рабочими каналами, соосно расположенный ротор с рабочими лопастями, цилиндрические золотники с продольными кромками, снабженные цапфами и установленные с возможностью вращения в подшипниковых опорах боковых крышек корпуса и кинематически связанные с ротором, камеру сгорания со свечой зажигания, при этом в корпусе расположена пара золотников, в одном из которых размещена камера сгорания, в такте сжатия сообщающаяся со свечой зажигания, при этом число рабочих лопастей ротора равно числу золотников, а форма их поперечного сечения выполнена в виде криволинейной поверхности, образующей минимальный зазор с продольными кромками золотников в такте полного сжатия.

К недостаткам которого относятся: камера сгорания, расположенная во вращающемся золотнике, сложно осуществима для впрыска дизтоплива, бензина, газа; для удержания энергии расширяющихся газов в сторону подшипника; низкая степень перемешивания топлива и окислителя. Относительно нижнего золотника - невозможно использовать на «всасывании» топливно-воздушную смесь, т.к. выемка второго золотника переносит ее на выхлоп, отсюда хлопки в глушитель, если отсекать ее выхлопными газами - хлопки в карбюратор.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение компактности и сокращение на выхлопе количества токсичных и отравляющих веществ.

Технический результат при использовании изобретения заключается в создании роторного двигателя внутреннего сгорания простой конструкции, более экологичного и экономичного, бесшумного.

Указанный технический результат достигается тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса, в котором размещены камера сгорания, являющаяся завихрителем, ротор со сферическими лопастями с уплотнительными лопатками и сопрягающиеся с ротором выемки золотников. Сферическая вихревая камера сгорания вынесена за пределы исполнительного механизма, вдоль его продольной оси на обратную сторону золотника, смещена и развернута в сторону образования полости «рабочий ход», имеет два глухих канала, через которые осуществляется тангенциальный подвод и отвод по выемке золотника с одной стороны сжатого воздуха в камеру сгорания, с другой стороны отвод с переводом энергии расширяющихся газов, где слегка зауженная горловина камеры сгорания способствует переводу центробежными силами энергии расширяющихся газов вторым глухим каналом, имеющим более высокую пропускную способность на лопасть ротора с лабиринтным уплотнением в виде лопаток, имеющих плечи в основании, где предусмотрено использование дополнительного золотника, для сброса остаточного давления из камеры сгорания и ее продувки с использованием двух каналов после разворота ротора с выше 60° от продольной оси. После чего на выхлопе выполнен завихритель с глухим каналом для концентрации выхлопных газов и удаления воздуха из выемки второго золотника в полость такта «впуск», обеспечивая подпор воздушного потока на всасывании и снижение шумового фона на выхлопе. Также предусмотрен в выемке основного золотника компенсатор, который переводит сжатый воздух, оказавшийся между сопрягающимися поверхностями золотника и лопасти ротора, с последующим освобождением в зоне действия такта «рабочий ход» для поддержания процесса горения. А способ сжигания топлива в двигателе заключается в интенсивном перемешивании и дроблении топлива с воспламенением и переводом энергии расширяющихся газов на лопасти ротора. Способ предусматривает основной впрыск топлива нормально или под острым углом к направлению вихревых потоков в сферической вихревой камере сгорания, что ускоряет вихревые потоки в условиях постоянного объема камеры сгорания и двух ее глухих каналов, перекрытых цилиндрической обратной стороной золотника на период сжигания топлива и накопления энергии расширяющихся газов в пределах 32° поворота ротора, после осуществления предварительного впрыска дизельного топлива со стороны полости «сжатия» в зону сопрягающихся золотника и ротора, в результате чего, обладая высокой проникающей способностью и под прессом сопрягающихся вращающихся деталей топливо плющится, смачивает, выдавливает нагарообразование и пробрасывается в зону действия вихревых потоков, образуя под действием центробежных сил пленку, которая быстро испаряется и сгорает, повышая давление на лопасть ротора. Вращение золотника навстречу сжатому воздуху создает турбулентность, которая дробит и перемешивает топливовоздушную смесь, образованную предварительным впрыском в полость сжатия воздуха.

На фиг.1 упрощенно изображен общий вид в разрезе роторного ДВС, а) карбюраторный цикл, б) дизельный цикл, в) предварительный впрыск в зону сопрягающихся золотника и ротора); на фиг.2 - то же в урезанном виде при повернутом роторе (продувка камеры сгорания).

Двигатель состоит из корпуса 1, в котором размещены камера сгорания 2 с глухими каналами 3 и 4, золотники 5 и 6 с выемками 7, ротор 8 со сферическими лопастями 9 и уплотнительными лопатками 10, а также завихрители 11, 12 и компенсаторы 13 в основном верхнем золотнике. Каналы 14 и 15 дополнительного золотника 16 служат для продувки и сброса остаточного давления в камере сгорания 2.

Работа роторного ДВС и способ сжигания топлива в нем осуществляются следующим образом. Через выемку 7 золотника 5 горючая смесь или воздух лопастью 9 ротора 8 при сжатии переводится в зону действия закрытых каналов 3 в вихревую камеру сгорания 2 и канала 4. В камере сгорания возникают петлевые вихревые потоки, в десятки раз превышающие количество оборотов самого двигателя. Золотник 5 обратной цилиндрической стороной запирает два глухих канала и камеру сгорания по меньшей мере на 32 градуса разворота ротора. Вихревой поток при воспламенении топлива, поданного нормально к направлению вращающихся потоков, ускоряет вихревые потоки, превращает топливо в микроскопическую взвесь, которая горит более полно и динамично в условиях постоянного объема, что способствует более быстрому накоплению энергии расширяющихся газов. Камера сгорания 2 смещена и развернута вторым глухим каналом, имеющим более высокую пропускную способность с образованием очередного такта «рабочий ход», расположена в корпусе 1. Золотник 5 сопрягается продольными кромками выемки 7 с лопастью 9 ротора 8. Энергия расширяющихся газов через выемку 7 золотника 5 переводится в сторону лопасти 9 вращающегося ротора 8, имеющей уплотнительные лопатки 10, создавая крутящий момент на валу. При этом продувка и сброс остаточного давления в камере сгорания производится через каналы 14 и 15 дополнительного золотника 16. Выхлоп свободный. Глухой канал с завихрителем 11 выхлопными газами вытесняет и возвращает из выемки 7 золотника 6 воздух в полость всасывания, осуществляя подпор воздушного потока. На всасывании воздуха перед лопастью 9, на обратной стороне которой возникает вакуум, размещен завихритель 12, выполняющий функцию восполняемого резерва в непосредственной близости к перемещающейся лопасти, вместо которого предусмотрено использование турбонаддува.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус, в котором размещены камера сгорания, являющаяся завихрителем, ротор со сферическими лопастями с уплотнительными лопатками и сопрягающиеся с ротором выемки золотников, отличающийся тем, что сферическая вихревая камера сгорания вынесена за пределы исполнительного механизма вдоль его продольной оси на обратную сторону золотника, смещена и развернута в сторону образования полости «рабочий ход», имеет два глухих канала, через которые осуществляется тангенциальный подвод и отвод по выемке золотника с одной стороны сжатого воздуха в камеру сгорания, с другой стороны отвод с переводом энергии расширяющихся газов, где слегка зауженная горловина камеры сгорания способствует переводу центробежными силами энергии расширяющихся газов вторым глухим каналом, имеющим более высокую пропускную способность, на лопасть ротора с лабиринтным уплотнением в виде лопаток, имеющих плечи в основании, где предусмотрено использование дополнительного золотника для сброса остаточного давления из камеры сгорания и ее продувки с использованием двух каналов после разворота ротора свыше 60 градусов от продольной оси, после чего на выхлопе выполнен завихритель с глухим каналом для концентрации выхлопных газов и удаления воздуха из выемки второго золотника в полость такта «впуск», обеспечивая подпор воздушного потока на всасывании и снижение шумового фона на выхлопе, а также предусмотрен в выемке основного золотника компенсатор, который переводит сжатый воздух, оказавшийся между сопрягающимися поверхностями золотника и лопасти ротора, с последующим освобождением в зоне действия такта «рабочий ход» для поддержания процесса горения.

2. Способ сжигания топлива в двигателе по п.1, заключающийся в интенсивном перемешивании и дроблении топлива с воспламенением и переводом энергии расширяющихся газов на лопасти ротора, отличающийся тем, что он предусматривает основной впрыск топлива нормально или под острым углом к направлению вихревых потоков в сферической вихревой камере сгорания, что ускоряет вихревые потоки в условиях постоянного объема камеры сгорания и двух ее глухих каналов, перекрытых цилиндрической обратной стороной золотника на период сжигания топлива и накопления энергии расширяющихся газов в пределах 32 градусов поворота ротора, после осуществления предварительного впрыска дизельного топлива со стороны полости «сжатия» в зону сопрягающихся золотника и ротора, в результате чего, обладая высокой проникающей способностью и под прессом сопрягающихся вращающихся деталей топливо плющится, смачивает, выдавливает нагарообразование и пробрасывается в зону действия вихревых потоков, образуя под действием центробежных сил пленку, которая быстро испаряется и сгорает, повышая давление на лопасть ротора, при этом вращение золотника навстречу сжатому воздуху создает турбулентность, которая дробит и перемешивает топливовоздушную смесь, образованную предварительным впрыском в полость сжатия воздуха.