Роторный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к роторному двигателю внутреннего сгорания. Двигатель выполнен с внешней камерой сгорания, с возможностью применения паровой фазы и работы на углеводородном топливе или на водородно-кислородной смеси. Двигатель представляет собой корпус, состоящий из секции мотора, секции компрессора и секции связующих шестерен. Шестерни жестко посажены на соответствующие им валы. Секции мотора и компрессора имеют сходные по конструкции роторы, расположенные с зазором к корпусу и между собой. Малый ротор представляет собой цилиндр с полостью и выполняет роль золотника между камерой сгорания и каналом, предназначенным для пропуска горячих газов от камеры сгорания в область вращения ротора, представляющего собой цилиндр с лопастями. Двигатель имеет системы: подачи воды, воздуха в камеру сгорания, впрыска топлива, воспламенения топливной смеси, отвода выхлопных газов, смазки подшипников и шестерен, а также систему охлаждения корпуса и роторов. Компрессор расположен на том же валу, что и секция мотора. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания. Камера сгорания выполнена с непосредственным впрыском топлива, воспламеняемого от свечи зажигания. Канал в малом роторе секции мотора используется при газораспределении в зависимости от такта работы двигателя в качестве проводника либо рабочего тела, либо выхлопных газов. Техническим результатом является повышение эффективности двигателя. 14 ил.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (РД) предназначен для использования в качестве силового агрегата в автомобилестроении, судостроении, авиастроении и т.д., как в бензиновом, так и в дизельном варианте. Таким образом, задачей изобретения является повышение оборотов ротора, уменьшение шума работающего двигателя, увеличение мощности по отношению к весу, повышение надежности ДВС, уменьшение использования моторного масла, исключение деталей, совершающих возвратно-поступательные движения, и упрощение производства, повышение КПД. Известна конструкция роторно-турбинного ДВС (Несмеев Евгений Алексеевич, патент РФ № 2289698, приоритет от 12.11.2002 г.).
Конструкция ДВС по патенту РФ № 2289698 представляет собой двухроторный агрегат, состоящий из ротора сжатия и ротора с камерами сгорания, находящимися в одном блоке. Оба ротора кинематически связаны между собой группой шестерен имеющих собственный корпус, постоянно находящихся в масляной «ванне» и жестко закрепленных на одной оси вращения с соответствующим ротором. При этом во внутреннем пространстве двигателя между роторами и внутренней поверхностью блока соблюдается минимальный зазор (в пределах несколько сотых долей миллиметра в прогретом состоянии), что позволяет отказаться от смазки основных деталей конструкции. Поддержание минимального зазора обеспечивается за счет упомянутой выше группы шестерен. Основные детали силового агрегата: трехкорпусной ротор сжатия представляет собой три цилиндра, объединенных вместе. Ротор сжатия кинематически соединен с ротором, имеющем камеры сгорания, при этом сегменты ротора сжатия поочередно проникают в полости ротора, вследствие чего происходит сжатие топливной смеси. Рабочие циклы происходят в следующем порядке, рассмотрим на примере пары поршень-полость.
При вращении роторов, в полость ротора под высоким давлением подается воздух. Высокое давление необходимо для снижения потерь компрессии в работающей в данный момент полости ротора. Высокое давление в другой пограничной полости будет поддерживаться некоторое время за счет расширенных выхлопных газов. При дальнейшем вращении роторов в полость ротора, через форсунку впрыскивается топливо. Максимальное сжатие топливной смеси происходит при повороте ротора. При этом работающий цилиндрический сегмент ротора и соответствующая ему в данный момент полость ротора располагается близко к касательной окружности ротора, в этот момент происходит зажигание, ротор отталкивается - происходит рабочий ход. В свою очередь ротор получает движение от ротора через шестерню, находящуюся на его валу. Выхлоп в данной конструкции осуществляется под действием собственного избыточного давления, возникающего после воспламенения топлива в полости ротора по завершении рабочего хода, при достижении в процессе вращения ротора выхлопного окна в корпусе двигателя. Далее весь процесс повторяется на других парах сегмент-полость. Зажигание топливной смеси при данной форме камеры сгорания осуществляется следующим образом: в полостях ротора располагаются ввернутые в резьбовые гнезда электроды со знаком «-», под которые в теле ротора выбраны углубления. А в цилиндрических сегментах ротора встроены электроды со знаком «+».
При внимательном изучении чертежа конструкции РТД, описанной в патенте РФ № 2289698, становится очевидным, что в данной конструкции не совсем понятно, каким образом происходит фаза сжатия. Зажигание является, по моему мнению, значительной проблемой для практической реализации данной конструкции.
Представленная мною конструкция «Роторный двигателя внутреннего сгорания», лишена недостатков двигателя, описанного в патенте РФ № 2289698.
Представленная конструкция РД имеет по две секции мотора и компрессоров, находящихся на соответствующих им валах, в разных фазах относительно друг друга и кинематически связанных между собой шестернями, систему зажигания, систему смазки, систему подачи топлива, систему охлаждения, впускные и выпускные каналы моторов и компрессоров. Конструкция РД может использовать в качестве топлива любые сорта бензина, дизельное топливо, спирт, а также работать на кислородно-водородной смеси. РД может быть использован в качестве силового агрегата в автостроении, авиастроении, судостроении, а также в качестве силового агрегата генератора электрической энергии.
Таким образом роторный двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания, паровой фазой, с возможностью работы на углеводородном топливе или на водородно-кислородной смеси, представляющий собой корпус, состоящий из секции мотора, секции компрессора и секции связующих шестерен, которые жестко посажены на соответствующие им валы, и внешней камеры сгорания, причем секции мотора и компрессора имеют сходные по конструкции роторы, расположенные с зазором к корпусу и между собой, при этом малый ротор представляет собой цилиндр с полостью и выполняет роль золотника между камерой сгорания и каналом, предназначенным для пропуска горячих газов от камеры сгорания в область вращения ротора, который представляет собой цилиндр с лопастями, помимо этого двигатель имеет системы: подачи воды, воздуха в камеру сгорания, впрыска топлива, воспламенения топливной смеси, отвода выхлопных газов, смазки подшипников и шестерен, а также систему охлаждения корпуса и роторов, отличается наличием секции компрессора, расположенного на том же валу, что и секция мотора, а также тем, что компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания, которая находится вне корпуса и выполнена с непосредственным впрыском топлива, воспламеняемого от свечи зажигания, а также наличием в малом роторе секции мотора канала, используемого при газораспределении, используемого в зависимости от такта работы двигателя в качестве проводника либо рабочего тела, либо выхлопных газов, а также возможностью применения водяной фазы.
Фигура 1 - вид основных деталей конструкции двигателя, фигуры 2 и 3 - секция компрессора в разных фазах работы, фигуры 4, 5, 6 - секция мотора в разных фазах работы, фигура 7 - схема работы системы смазки, фигура 8 - схема системы охлаждения, фигура 9 - схема работы РД на углеводородном топливе и кислородно-водородной смеси, фигура 10 - схема редуктора для снятия усилия с трёх валов РД, фигура 11 - схема РД с дополнительным ротором, выполняющих роль турбины, фигура 12 - схема РД с роторами разных диаметров, нанесенных сетью углублений на их боковых сторонах, фигура 13 - схема работы дополнительной системы запуска РД и системы охлаждения лопастей мотора, фигура 14 - лопасть ротора мотора с охлаждающими каналами.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (фигура 1) включает в себя корпус и заключенные в нем две секции мотора, две секции компрессора и одну секцию шестерен.
Секция мотора (далее - мотор) включает в себя : (фигура 4) - корпус (1), малый ротор (2), полость (3), ротор (4) с лопастями А и В, роторы расположены на валу роторов с лопастями (5) и валу малых роторов (6), в корпусе имеется выпускной канал (7), направляющие каналы малого ротора (8), также выпускной канал камеры сгорания (9), отделенная камера сгорания (10) (далее - камера сгорания), свеча зажигания (11), канал для топливной форсунки (12) и канал для нагнетания воздуха (13), также в корпусе имеется отверстие для водяной форсунки (14), область вращения ротора с лопастями (15).
Секция компрессора (далее - компрессор) (фигура 3) состоит из: корпуса (1), малого ротора (16), полостей (17), ротора с лопастями В и С (18), впускного воздушного канала (19), выпускного воздушного канала (20).
Общий внутренний вид РД представлен на фигуре 1, где : (1) - нижняя часть корпуса, (2) - малые роторы моторов, (3) - полости малых роторов, (4) - роторы мотора с лопастями ,(8) - направляющие каналы малых роторов мотора, (5) - ось роторов с лопастями, (6) - ось малых роторов, (16) - малые роторы компрессоров, (17) - полости малых роторов компрессоров, (18) - роторы с лопастями компрессоров, (21) - один из каналов системы охлаждения.
Помимо перечисленного, на фигуре 1 изображены подшипники, шестерни и гайки.
Верхняя часть корпуса с отделенной камерой сгорания, а также передняя и задняя крышки не показаны.
Также на фигуре 1 видна часть уплотнительного контура (28) деталей корпуса, который представляет собой сеть канавок, охватывающую все требующие герметизации части корпуса, которая при сборке двигателя заполняется застывающим герметизирующим составом.
Секция шестерен состоит из корпуса, имеющего заливное и сливное отверстия для масла с заглушками, и шестерен, жестко посаженных на валы соответствующих роторов.
Система смазки (фигура 7) состоит из канала (22), шнека (23), радиатора (24), шестерни (25), масляного фильтра (26), первой масляной емкости (27) и второй масляной емкости (28).
Расположенные в корпусе роторы мотора и компрессора имеют зазоры между собой, стенками и корпусом и жестко посажены на соответствующие им валы. На валы так же посажены шестерни, находящиеся в отдельной секции, служащие для передачи усилия и синхронизации вращения роторов.
Роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Стартер придает валам двигателя вращательное движение. Компрессор (фигура 3), лопастью В, через канал (19) закачивает воздух и подает его по каналу (20). Подача сжатого воздуха происходит в момент, когда малый ротор компрессора поворачивается, открывает канал (20), пропуская через него сжатый воздух в камеру сгорания. Далее валы проворачиваются и компрессор запирает канал (20) как показано на фигуре 2.
Воздух, сжатый компрессором, вытесняется через воздушный канал (13) в отделенную камеру сгорания (10) (фигура 4). Как показано на фигуре 4, малый ротор мотора запирает выход из канала (9), не давая сжатому воздуху, находящемуся в камере сгорания (10), быстро выйти. Сразу после того, как только малый ротор компрессора запирает канал (20) (фигура 3), через форсунку (12) (фигура 4), в камеру сгорания (10) подается топливо и от электрической свечи зажигания (11) происходит воспламенение топливной смеси. Топливная смесь воспламеняется и некоторое время горит в неизменном объеме камеры сгорания, так как камера сгорания заперта малым ротором мотора (2) (фигура 4), который, поворачиваясь, соединяет одним из каналов (8) канал (9) камеры сгорания (10), через который горячие газы из камеры сгорания (10) вырываются в область вращения (15) ротора с лопастями (4) (фигура 5) и давят на лопасть В, заставляя двигаться ротор с лопастями, а тот в свою очередь, через шестерни и вал передает усилие на вал малых роторов и компрессор. Далее, вращаясь, роторы мотора принимают положение (фигура 6), при котором канал (8) роторов с полостями мотора соединяет область вращения ротора с лопастями (15), с выпускным каналом двигателя (7) и лопасть А мотора вытесняет отработанные газы из двигателя.
Само собой разумеется, что сказанное «принимает положение», ввиду того что при этом валы РД вращаются с высокой скоростью, имеет условное значение. Здесь речь идет о прохождении выходного отверстия одного канала перед выходным или входным отверстием другого канала и в результате их скоротечных совмещений происходит перемещение газов, имеющих высокое давление.
В дополнение, конструкция РД позволяет применить впрыскивание воды в область вращения ротора мотора с лопастями, через канал (14) (фигура 4), что будет способствовать экономии топлива и охлаждению теплонагруженных деталей РД.
Система смазки (фигура 7) служит для подачи моторного масла к подшипникам и охлаждения вала малых роторов и состоит из канала (22), проходящего через вал роторов с полостями. В этом же канале расположен шнек (23), выполняющий функцию первого масляного насоса. Также к системе смазки относится масляный радиатор (24) и шестерня (25) с того же вала, выполняющая роль второго масляного насоса, а так же масляный фильтр (26). Система смазки действует следующим образом: по обеим сторонам двигателя находятся две масляных емкости (27) и (28), в которых отделены выходы валов с подшипниками и шестернями. Во время работы двигателя, шестерня (25) вала малых роторов, вращаясь, отбрасывает масло в сторону масляного канала. Масло двигается по каналу, проходит через масляный фильтр (26), после чего движется через радиатор (24) и сливается во вторую масляную емкость, из которой оно перекачивается при помощи шнека (23), по каналу (22) вала малых роторов обратно в первую емкость, по пути охлаждая малые роторы моторов.
Помимо искрового зажигания, при высоких показателях сжатия, данная конструкция двигателя позволяет производить термическое зажигание.
В тексте приведена конструкция РД (фигура 1) с двумя валами, двумя секциями мотора и двумя секциями компрессора, роторы которых имеют по две лопасти и по две полости. При такой компоновке воспламенение топливной смеси происходит четыре раза за один оборот вала, т.е. через каждые 90 градусов.
Кроме конструкции, приведенной выше, возможны иные компоновки с большим или меньшим количеством полостей и лопастей, большим числом валов и большим или меньшим количеством секций роторов моторов и компрессоров на них.
Кроме работы на углеводородном топливе, данная конструкция РД может работать на смешанном топливе - углеводородном, с добавлением водородно-кислородной смеси, полученной в процессе электролиза воды или другого способа ее разложения (фигура 9). При этом кроме самого РД в конструкции присутствует электролизер (29), представляющий из себя диэлектрическую емкость, заполненную водой, в которой расположены металлические пластины, с присоединенными к ним электрическими проводами, а также электронного блока управления (30), для создания сигнала, подаваемого на пластины электролизера, водяного замка (32), расширительного бака с водой (33). Вместо электролизера может быть применено иное устройство, выполняющее функцию разложения воды, действующее на тех же или иных физических принципах, например, акустическом или радиоволновом.
Во время работы РД на пластины электролизера или иного устройства, предназначенного для производства водородно-кислородной смеси, при повороте ключа зажигания (31), от аккумулятора автомобиля или от внешней электрической сети через блок управления (30), подается электрический ток или какой-либо иной сигнал. В электролизере начинает происходить процесс с обильным выделением смеси водорода и кислорода, которая подается в компрессор РД.
Компрессор через канал (19) закачивает водородно-кислородную смесь и воздух в область своего вращения и через канал (20) нагнетает в ее камеру сгорания РД (10), в которую также впрыскивается углеводородное топливо, где от свечи зажигания (11) происходит воспламенение. Сгорая, углеводородное топливо и водородно-кислородная смесь производит большое количество энергии в виде перегретого пара и выхлопных газов, которые по каналу (8) попадают в область вращения ротора с лопастями (15), двигая его. Выпуск производится через выпускной канал (7). При этом расход углеводородного топлива уменьшится на 30-50 %.
Как было отмечено выше, помимо приведенной в описании схемы РД с двумя валами, существует возможность создать схему с большим числом валов. В таком случае при создании схемы из трех и более валов, имеется возможность съема усилия с нескольких валов, с их одновременной синхронизацией. На (фигуре 10) представлена схема снятия усилия стрех валов с использованием конических шестерен, где три вала РД (34) и вал с коническими шестернями большего диаметра (35).
Помимо схемы выхлопа, изображенной на фигуре б, возможно использовать энергию выхлопных газов, пропуская их через ротор, представляющий из себя турбину (далее - турбина) (36) (фигура 11), который располагается на одном из валов и имеет больший диаметр, чем другие роторы РД, имеющие лопасти. При этом турбина имеет полости, кратным или равным числом всех лопастей, всех роторов, работающих на него. Например: в рассматриваемой конструкции РД на двух роторах имеются две лопасти, это значит, что турбина имеет также две полости. Работа турбины происходит следующим образом: при осуществлении выхлопа мотором РД, выхлопные газы будут иметь все еще достаточно высокую температуру и давление, для того, чтобы после выхода из мотора РД, попадая в полость турбины, расширяясь, производить полезную работу. Так как турбина будет иметь больший диаметр, чем другие роторы, она будет располагать большим крутящим моментом, повышая тем самым общую эффективность РД. Для повышения давления газов в полости турбины возможно впрыскивание воды.
Кроме представленной выше схемы РД с роторами мотора и компрессора имеющими одинаковые размеры, существует возможность размещать на них роторы мотора и компрессора разных диаметров (фигура 12). При этом появляется возможность снимать больший крутящий момент с роторов моторов, а также заметно понизить компрессионные потери на роторах компрессора, где (37) роторы компрессора и (38) роторы мотора РД. Такой эффект появляется из-за особенностей данной конструкции, не имеющей контакта между роторами. То есть, все радиально расположенные точки роторов движутся с разными скоростями и ни одному ротору мотора или компрессора не нужно повторять поверхность парных роторов, так как точки на радиальных поверхностях разных роторов, имеющих разные диаметры, движутся с разными скоростями, но за счет одинаковой скорости вращения осей роторов, сохраняется их полная синхронизация, так как точка, расположенная на радиальной поверхности ротора, имеющего больший диаметр, проходит больший путь, чем точка на радиальной поверхности парного ему меньшего ротора, но при этом их средняя скорость вращения равна средней скорости вращения их шестерен имеющих одинаковые диаметры и одинаковое количество зубьев. Также здесь схематически показана сеть углублений (46) на боковых сторонах роторов, предназначенная для создания, равномерно распределенных областей высокого давления в промежутке между ротором и внутренней стенкой корпуса двигателя , служащих улучшению внутренней герметизации РД и осевой центровки валов с роторами относительно корпуса.
Также существует возможность охлаждать лопасти мотора (фигура 13), увеличив радиус сектора (39) области ее вращения, путем создания на ее пути потока охлаждающего воздуха, подаваемого насосом (40) через канал (41).
На фигуре 14 изображена лопасть РД с охлаждающими каналами, где стрелкой показано направление движения лопасти, а также входные (44) и выходное охлаждающие отверстия (45).
Кроме того, (фигура 13) при запуске РД, для быстрого повышения давления в камере сгорания, использовать сжатый воздух из баллона (42), подаваемого через управляемые клапанные устройства (43), которые будут отпирать баллон при запуске РД и запирать его после вхождения РД в устойчивый режим работы и накопления в нем прежнего запаса сжатого воздуха для следующего запуска двигателя.
В описании работы РД упоминалась работа только одной пары мотора и компрессора, другая же пара работает аналогичным образом, только со сдвигом по фазе на 90 градусов по отношению, соответствующему парному узлу.
По сравнению с представленным аналогом, представленная мною конструкция обладает несколькими значительными преимуществами:
1. Более выражены фазы всасывания воздуха.
2. Более удобен и надежен способ зажигания от обычной искровой электрической свечи.
3. Впрыск топлива непосредственно в область свечи зажигания более экономичен, чем в предыдущей конструкции.
4. В данной конструкции сжимается воздух, а не топливная смесь, что более экономично, чем в аналогичной конструкции.
5. Сгорание топливной смеси происходит в отделенной камере сгорания, имеющей постоянный объем, что более эффективно.
6. В данной конструкции возможно достижение высокого значения сжатия, что сделает возможным работу двигателя по дизельному циклу.
7. Имеется возможность подавать воду в область расширения горячих газов, что положительно скажется на эффективности двигателя внутреннего сгорания.
8. Данная конструкция двигателя внутреннего сгорания позволяет на двух и более валах разместить по несколько секций мотора и компрессора.
9. Конструкция позволяет работу РД на смешанном топливе - нефтепродуктах и водородно-кислородной смеси.
10. При использовании конических шестерен имеется возможность снятия усилия с нескольких валов на один вал.
11. При установке на валы РД роторов разных диаметров появляется возможность получать больший крутящий момент.
12. При нагнетании воздуха в область вращения ротора мотора появляется возможность охлаждения лопасти, что сделает работу РД более надежной.
Роторный двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания, паровой фазой, с возможностью работы на углеводородном топливе или на водородно-кислородной смеси, представляющий собой корпус, состоящий из секции мотора, секции компрессора и секции связующих шестерен, которые жестко посажены на соответствующие им валы, и внешней камеры сгорания, причем секции мотора и компрессора имеют сходные по конструкции роторы, расположенные с зазором к корпусу и между собой, при этом малый ротор представляет собой цилиндр с полостью и выполняет роль золотника между камерой сгорания и каналом, предназначенным для пропуска горячих газов от камеры сгорания в область вращения ротора, который представляет собой цилиндр с лопастями, помимо этого двигатель имеет системы: подачи воды, воздуха в камеру сгорания, впрыска топлива, воспламенения топливной смеси, отвода выхлопных газов, смазки подшипников и шестерен, а также систему охлаждения корпуса и роторов, и отличающийся наличием секции компрессора, расположенного на том же валу, что и секция мотора, а также тем, что компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания, которая находится вне корпуса и выполнена с непосредственным впрыском топлива, воспламеняемого от свечи зажигания, а также наличием в малом роторе секции мотора канала, используемого при газораспределении, используемого в зависимости от такта работы двигателя в качестве проводника либо рабочего тела, либо выхлопных газов, а также возможностью применения водяной фазы.
