Роторный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к производству двигателей малой мощности. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, ротор с выступами и кольцевые реборды. Реборды делят внутренний объем корпуса на секцию сжатия, разделенную выступом и пластиной на объемы всасывания и сжатия, и рабочую секцию, разделенную выступом и пластиной на объемы расширения и выпуска. Камеры сжатой горючей смеси и сгорания расположены вне корпуса и сообщены посредством управляемого перепускного устройства. Выступы выполнены с участками цилиндрических уплотнительных поверхностей. Уплотнительная поверхность на роторе в рабочей секции выполнена с возможностью периодического перекрытия устья соединительного канала камеры сгорания с объемом расширения на период наполнения камеры сгорания сжатой горючей смесью и время ее сгорания до момента достижения максимального давления в камере сгорания. Уплотнительная поверхность на роторе секции сжатия горючей смеси выполнена с возможностью открытия канала подвода горючей смеси синхронно с перекрытием устья соединительного канала камеры сгорания с объемом расширения в рабочей секции. Реализован изохорный цикл и сниженный удельный расход топлива. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к производству двигателей малой мощности, которые могут быть использованы в мотоблоках, бензиновых косилках и пилах и др. моторной технике.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (RU №2527808, МПК F02B 53/08, F02B 53/06, F01C 1/356, опубл. 10.09.1014 г.), принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий корпус с объемом цилиндрической формы, ограниченным с торцов боковыми крышками. В объеме корпуса установлен полый ротор, выполненный с радиальной лопастью и кольцевыми ребордами. Лопасть ориентирована вдоль оси вращения ротора. Кольцевые реборды делят внутренний объем корпуса на секцию горючей смеси и рабочую секцию. Секция горючей смеси разделена радиальной лопастью ротора и разделительной пластиной на объем расширения и объем выпуска. Двигатель содержит камеру сжатой горючей смеси, камеру сгорания, впускной и выпускной каналы. Камера сжатой горючей смеси и камера сгорания расположены вне объема корпуса и сообщаются посредством перепускного устройства. Перепускное устройство выполнено управляемым так, что оно открывается, когда радиальная лопасть еще не вышла за пределы устья выходного канала, что обеспечивает продувку горючей смесью камеры сгорания. Закрытие перепускного устройства происходит, когда радиальная лопасть выходит за пределы устья выходного канала.

К недостаткам описанного роторного двигателя внутреннего сгорания можно отнести следующее:

- сгорание горючей смеси происходит не при постоянном, а при возрастающем объеме, что снижает термический КПД цикла роторного двигателя внутреннего сгорания, приближая его к КПД цикла с подводом тепла при постоянном давлении;

- роторный двигатель внутреннего сгорания работает при сниженных давлении и температуре горючей смеси в момент зажигания, так как горючая смесь поступает в возрастающий суммарный объем камеры сгорания и объем расширения (отрицательное влияние снижения давления и температуры в начале подвода тепла у роторного двигателя внутреннего сгорания аналогично уменьшению давления сжатия у поршневого двигателя), в обоих случаях это неизбежно соответственно снижает термический КПД и повышает удельный расход топлива;

- используемое клапанное управляемое перепускное устройство обладает неуравновешенностью, требует сложного кулачкового или иного привода, кроме того, в процессе работы клапаны испытывают ударные нагрузки, что снижает надежность двигателя.

Изобретение решает задачу снижения удельного расхода топлива за счет повышения термического КПД цикла путем сжигания горючей смеси в постоянном объеме камеры сгорания при высоком давлении и температуре в начале сгорания.

Для получения необходимого технического результата в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с объемом цилиндрической формы, ограниченным с торцов боковыми крышками, установленный в объеме корпуса ротор, выполненный с профилированными выступами на поверхности, ориентированными вдоль его оси вращения, совпадающей с продольной осью корпуса, и кольцевыми ребордами, которые делят внутренний объем корпуса на секцию сжатия горючей смеси, разделенную профилированным выступом ротора и разделительной пластиной на объем всасывания и объем сжатия, и рабочую секцию, разделенную профилированным выступом ротора и разделительной пластиной на объем расширения и объем выпуска, камеру сжатой горючей смеси и камеру сгорания, расположенные вне объема корпуса и сообщающиеся посредством управляемого перепускного устройства, впускной и выпускной каналы, предлагается профилированные выступы на роторе выполнить с участками цилиндрических уплотнительных поверхностей, причем цилиндрическую уплотнительную поверхность на роторе рабочей секции выполнить с возможностью периодического перекрытия устья соединительного канала камеры сгорания с объемом расширения на период наполнения камеры сгорания сжатой горючей смесью и время ее сгорания до момента достижения максимального давления в камере сгорания,

а цилиндрическую уплотнительную поверхность на роторе секции сжатия горючей смеси предлагается выполнить с возможностью открытия канала подвода горючей смеси синхронно с перекрытием устья соединительного канала камеры сгорания с объемом расширения в рабочей секции.

Камера сжатой горючей смеси может сообщаться с камерой сгорания, например, посредством управляемого перепускного ротативного устройства.

На прилагаемых к описанию схемах изображено:

фиг. 1 - секция сжатия горючей смеси роторного двигателя внутреннего сгорания;

фиг. 2 - рабочая секция роторного двигателя внутреннего сгорания;

фиг. 3 - управляемое перепускное ротативное устройство в открытом состоянии - момент перепуска сжатой горючей смеси в камеру сгорания в рабочей секции, в разрезе;

фиг. 4 - то же, разрез А-А на фиг. 3;

фиг. 5 - управляемое перепускное ротативное устройство в закрытом состоянии, в разрезе;

на фиг. 6 - то же, разрез А-А на фиг. 5.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - корпус роторного двигателя внутреннего сгорания;

2 - ротор цилиндрический в секции сжатия горючей смеси;

3 - выступ профилированный на цилиндрической поверхности ротора 2 в секции сжатия горючей смеси;

4 - поверхность цилиндрическая ротора 2 в секции сжатия горючей смеси;

5 - пластина разделительная с пружиной в секции сжатия горючей смеси;

6 - канал подвода горючей смеси в секции сжатия горючей смеси;

7 - участок цилиндрической уплотнительной поверхности на выступе 3 в секции сжатия горючей смеси;

8 - участок профилированной поверхности на выступе 3 для безотрывной посадки разделительной пластины 5 на цилиндрическую поверхность 4 ротора 2 в секции сжатия горючей смеси;

9 - участок профилированной поверхности на выступе 3 для плавного подъема разделительной пластины 5 в секции сжатия горючей смеси;

10 - объем всасывания горючей смеси в секции сжатия горючей смеси;

11 - объем сжатия горючей смеси в секции сжатия горючей смеси;

12 - клапан невозвратный в секции сжатия горючей смеси;

13 - камера сжатой горючей смеси в рабочей секции;

14 - канал подвода горючей смеси из секции сжатия горючей смеси к камере 13 сжатой горючей смеси в рабочей секции;

15 - ротор цилиндрический в рабочей секции;

16 - выступ профилированный на цилиндрической поверхности ротора 15 в рабочей секции;

17 - поверхность цилиндрическая ротора 15 в рабочей секции;

18 - объем расширения в рабочей секции;

19 - объем выпуска отработавших газов в рабочей секции;

20 - разделительная пластина с пружиной в рабочей секции;

21 - участок цилиндрической уплотнительной поверхности на выступе 16 в рабочей секции;

22 - участок профилированной поверхности на выступе 16 для безотрывной посадки разделительной пластины 20 на цилиндрическую поверхность 17 ротора 15 в рабочей секции;

23 - участок профилированной поверхности на выступе 16 для плавного подъема разделительной пластины 20 в рабочей секции;

24 - поверхность цилиндрическая объема корпуса;

25 - камера сгорания в рабочей секции;

26 - устье соединительного канала камеры 25 сгорания;

27 - гнездо устройства зажигания;

28 - канал отвода отработавших газов в рабочей секции;

29 - устройство управляемое перепускное в рабочей секции;

30 - корпус управляемого перепускного ротативного устройства;

31 - вал приводной управляемого перепускного ротативного устройства;

32 - отверстие глухое для подвода горючей смеси;

33 - прорезь плоская калиброванная в корпусе 30;

34 - прорезь плоская калиброванная на вале 31, совпадающая по размеру с прорезью 33;

35 - штуцер для подсоединения к каналу связи (на фиг. 2 не обозначен) с камерой 13 сжатой горючей смеси;

36 - штуцер для подсоединения к каналу (на фиг. 2 не обозначен), ведущему к камере 25 сгорания в рабочей секции;

37 - подшипники.

В предлагаемом роторном двигателе внутреннего сгорания профилированные выступы 3, 16 (фиг. 1, фиг. 2) выполнены с участками цилиндрической поверхности, которые выполняют уплотнительную функцию, по сути, являясь золотниковым элементом. Кроме того, профилированные выступы 3, 16 выполнены с участками 8, 22 профилированной поверхности, обеспечивающими безотрывную посадку разделительных пластин 5, 20 на цилиндрическую поверхность ротора, а также с участками 9, 23, обеспечивающими плавный подъем разделительных пластин 5, 20.

При создании роторного двигателя предлагается совместить момент начала наполнения горючей смесью камеры 25 сгорания в рабочей секции с моментом начала поступления горючей смеси в объем 10 всасывания горючей смеси в секции сжатия горючей смеси, т.к. давление в камере 13 сжатой горючей смеси в рабочей секции составляет максимальную величину, потому что весь объем сжатой горючей смеси уже поступил к этому моменту в камеру 13.

Описание работы роторного двигателя внутреннего сгорания

При вращении ротора в объем 10 всасывания горючей смеси в секции сжатия горючей смеси (фиг. 1) по каналу 6 поступает горючая смесь. В это же время в объеме 11 сжатия горючей смеси происходит сжатие горючей смеси, поступившей в секцию ранее. Сжатая горючая смесь через невозвратный клапан 12 поступает по каналу 14 в камеру 13 сжатой горючей смеси в рабочей секции (фиг. 2). Максимальное давление, которое достигается в камере 13, определяется балансом производительности секции сжатия горючей смеси и массой смеси, поступающей в камеру 25 сгорания в рабочей секции.

Поступление сжатой горючей смеси в замкнутый объем камеры 25 сгорания в рабочей секции начинается в момент открытия управляемого перепускного устройства 29, который совпадает с перекрытием устья 26 соединительного канала камеры 25 сгорания участком 21 цилиндрической уплотнительной поверхности на выступе 16 в рабочей секции, а также с открытием канала 6 подвода горючей смеси в секции сжатия горючей смеси.

С момента открытия управляемого перепускного устройства 29 начинается наполнение сжатой горючей смесью замкнутого объема камеры 25 сгорания в рабочей секции. При этом давление в камере 13 сжатой горючей смеси снижается, а в камере 25 сгорания растет. В какой-то момент эти давления становятся равными. В этот момент закрывается управляемое перепускное устройство 29, так как наполнение камеры 25 сгорания сжатой горючей смесью закончилось и производится ее зажигание. Наполнение постоянного объема камеры 25 сгорания сжатой горючей смесью обеспечивает высокое давление в ней в конце наполнения. Давление в камере 25 сгорания в постоянном ее объеме резко возрастает по причине выделения тепла сгорающего топлива. В конце сгорания, когда достигается максимальное давление, происходит открытие устья 26 соединительного канала камеры 25 сгорания с объемом 18 расширения участком 21 цилиндрической уплотнительной поверхности на выступе 16 в рабочей секции, а также синхронно происходит перекрытие канала 6 подвода горючей смеси в объем 10 всасывания горючей смеси в секции сжатия горючей смеси. С этого момента начинается процесс расширения продуктов сгорания в камере 25 сгорания и объеме 18 расширения в рабочей секции, так как разделительная пластина 20 уже села на рабочую цилиндрическую поверхность 17 ротора 15. Таким образом, обеспечивается периодическое перекрытие канала 6 подвода горючей смеси в объем 10 всасывания горючей смеси в секции сжатия горючей смеси, которое выполняется синхронно с открытием устья 26 соединительного канала 25 камеры сгорания с объемом 18 расширения в рабочей секции.

Открытие и перекрытие каналов 6 и 26 согласовано с работой управляемого перепускного устройства 29.

Необходимая плотность в подвижных радиальных и торцевых соединениях роторного двигателя внутреннего сгорания создается за счет уплотнительных поверхностей с малыми зазорами. С этой целью, в частности, соединительный канал и его устье 26 выполнены по размеру и форме такими, чтобы вокруг устья 26 образовались уплотнительные поверхности.

На работу предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания, как показали проведенные газодинамические расчеты, оказывает влияние и тип применяемого управляемого перепускного устройства. Использование клапанного управляемого перепускного устройства сопровождается большим временем наполнения камеры сгорания сжатой горючей смесью, т.к. ему присущи медленное, плавное открытие и закрытие, связанные с кулачковым приводом. Это приводит к росту утечки сжатой горючей смеси из камеры сгорания через ее уплотнения и соответствующему повышению удельного расхода топлива.

Применение более эффективного управляемого перепускного устройства позволит получить сниженный удельный расход топлива.

Например, можно использовать управляемое перепускное ротативное устройство (фиг. 3, 4, 5, 6), в котором открытие и закрытие управляемого перепускного устройства определяется относительным взаимным расположением калиброванных прорезей 34 и 33 при вращении вала 31. При этом интервал времени от начала и до конца перепуска, т.е. процесса наполнения камеры 25 сгорания сжатой горючей смесью уменьшается, а значит снижаются и потери, обусловленные утечкой горючей смеси.

Таким образом, в предлагаемом роторном двигателе внутреннего сгорания, в отличие от ближайшего аналога, реализуется термодинамический цикл с подводом тепла при постоянном объеме (изохорный цикл) и достигается высокое давление и температура горючей смеси в начале сгорания, что обеспечивает соответствующее повышение термического КПД и снижение удельного расхода топлива.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с объемом цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, установленный в объеме корпуса ротор, выполненный с профилированными выступами на поверхности, ориентированными вдоль его оси вращения, совпадающей с продольной осью корпуса, и кольцевыми ребордами, которые делят внутренний объем корпуса на секцию сжатия горючей смеси, разделенную профилированным выступом ротора и разделительной пластиной на объем всасывания и объем сжатия, и рабочую секцию, разделенную профилированным выступом ротора и разделительной пластиной на объем расширения и объем выпуска, камеру сжатой горючей смеси и камеру сгорания, расположенные вне объема корпуса и сообщающиеся посредством управляемого перепускного устройства, впускной и выпускной каналы, отличающийся тем, что профилированные выступы на роторе выполнены с участками цилиндрических уплотнительных поверхностей, причем цилиндрическая уплотнительная поверхность на роторе рабочей секции выполнена с возможностью периодического перекрытия устья соединительного канала камеры сгорания с объемом расширения на период наполнения камеры сгорания сжатой горючей смесью и время ее сгорания до момента достижения максимального давления в камере сгорания, а цилиндрическая уплотнительная поверхность на роторе секции сжатия горючей смеси выполнена с возможностью открытия канала подвода горючей смеси синхронно с перекрытием устья соединительного канала камеры сгорания с объемом расширения в рабочей секции.

2. Роторный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что управляемое перепускное устройство выполнено ротативным.