РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, работающим как на легком, так и на тяжелом углеводородном топливе.
Известно техническое решение, а именно двигатель с разделенными камерами сгорания, состоящий из основной и вспомогательной камер, с размещенными в вспомогательной камере форсункой и свечой накаливания. Это одно из технических решений конвертирования бензинового поршневого двигателя в дизель. Смотри источник: Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль. - М.: "Машиностроение", 1987 г., с.134…135, рис.67.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции при реализации в производстве и организации внутрикамерных процессов сгорания при работе с различными сортами моторного топлива.
Известен роторный двигатель, оборудованный устройством подготовки топливовоздушной смеси (Патент РФ №2288366, F02B 55/16, 2006.01.). Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус, внутри которого расположен ротор, в тракте впуска смонтированы дроссельная заслонка и топливоподающее устройство (форсунка). Канал впускного тракта образован внутри корпуса роторного двигателя и огибает корпус. Подогрев топливовоздушной смеси осуществляется за счет теплопередачи от нагретых зон статора, улучшая таким образом эффективность процесса смесеобразования.
Недостатком данного роторного двигателя является значительное ухудшение свойств наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью, увеличивается площадь испарения остатков топлива при неработающем двигателе, что приводит к увеличению уровня СН.
Известен также роторно-поршневой двигатель с впрыском топлива (Патент РФ №2172851, МПК F02B 55/16). Роторно-поршневой двигатель преимущественно с впрыском топлива содержащий корпус (статор), внутри которого размещен ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка и форсунка для впрыска топлива, канал впускного тракта образован внутри корпуса.
Недостатком прототипа является невозможность обеспечения подготовки топливовоздушной смеси при работе на тяжелом углеводородном топливе (дизельное топливо, керосин) и его запуск.
В качестве прототипа рассмотрен многотопливный роторный двигатель (патент РФ №2334883, от 27.09.2008, F02B 55/16), содержащий корпус (статор), внутри которого размещен трехгранный ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка, в тракте впуска за дроссельной заслонкой установлен плазменный конвертор топлива, снабженный резьбой и прикрепленный к посадочному месту тракта впуска.
Недостатком прототипа является невозможность обеспечения высокой скорости и полноты сгорания топливовоздушной смеси. Не решена проблема глубокого расслоения заряда в камере сгорания. Невозможность использования сильно обедненной смеси с массовым соотношением воздух/топливо, равным 19 (α=1.27…1.28).
Целью предлагаемого изобретения является получение высокой скорости и полноты сгорания топливовоздушной смеси, улучшение технико-экономических характеристик роторного двигателя, реализация расслоения заряда как средства улучшения топливной экономичности и существенного снижения токсичности роторных двигателей, обеспечение работы роторного двигателя на обедненных смесях с сохранением максимальной мощности, повышение экологической чистоты двигателя в целом.
Поставленная цель достигается тем, что роторный двигатель, содержащий корпус (статор), внутри которого размещен ротор, в тракте впуска смонтированную дроссельную заслонку, а за дроссельной заслонкой установлен плазменный конвертор топлива, позволяющий создавать топливовоздушную смесь с заданными физико-химическими свойствами для регулирования подготовки рабочей смеси и имеющий разделенную на две полости камеру сгорания, одна из которых, где расположены свечи зажигания, заполняется обогащенной смесью, а другая - обедненной смесью или чистым воздухом, на корпусе роторного двигателя в районе малой оси эпитрохоид установлена сферическая вихревая камера (форкамера), к которой жестко с помощью резьбы крепятся две свечи зажигания и топливная форсунка.
Новизна достигается тем, что воспламенение рабочей смеси в основной камере сгорания роторного двигателя осуществляется не непосредственно искрой свечи зажигания, а факелом пламенных газов, образующихся при сгорании очень небольшого количества обогащенной смеси в сферической вихревой камере (форкамере), отделенной от основной камеры узким сопловым отверстием. Наличие в форкамере обогащенной и к тому же в большей степени разбавленной остаточными газами смеси препятствует образованию в ней окислов азота, а процесс дожигания продуктов неполного сгорания такой обогащенной смеси в результате их смешения с воздухом, находящимся в камере сгорания роторного двигателя, происходит уже при существенно пониженных температурах в такте расширения. Объем сферической вихревой камеры составляет 3…4% всего объема камеры сжатия, что позволяет формировать рабочую смесь пропорционально развиваемой двигателем мощности и улучшать тем самым его технические характеристики и экологическую безопасность.
В соответствии с фигурой 1 роторный двигатель содержит: корпус (статор) 1, внутри которого расположен трехгранный ротор 2, тракт впуска 3, выполненный в виде патрубка, жестко скрепленного с корпусом (статором) 1, в тракте впуска 3 смонтированы дроссельная заслонка 4 и плазменный конвертор топлива 5, на корпусе в районе малой оси эпитрохоид установлена сферическая вихревая камера (форкамера) 6, к которой жестко с помощью резьбы крепятся две свечи зажигания 7 и топливная форсунка 8. Свечи зажигания 7 установлены на входе в форкамеру 6, поскольку испытания показали, что это место является оптимальным для их размещения. Достижению лучших результатов способствует зажигание двумя свечами 7, расположенными друг против друга в форкамере 6, что значительно сократило путь пламени. Сферическая вихревая камера (форкамера) 6 отделена от основной камеры сгорания 10 роторного двигателя узким сопловым отверстием 9.
В процессе работы роторного двигателя воздух, проходя через впускной тракт 3, и топливо, подаваемое через плазменный конвертор 5, смешиваются и топливовоздушная смесь заданного состава подается в камеру сгорания 10, через дополнительную впускную систему (на фиг.1 не показана) в форкамеру 6 подается сильно обогащенная смесь такого состава, чтобы в результате ее смешения с обедненной смесью, поступающей из полости сжатия 11, в форкамере 6 образовалась богатая смесь состава α=0,6…0,8, обеспечивающая наиболее благоприятные условия воспламенения и развития начального очага горения. Гарантированное искровое зажигание происходит посредством свечей 7, расположенных друг против друга в форкамере 6, что значительно сокращает путь пламени. Воспламенение смеси искрой свечей 7 осуществляется за 15…20° угла поворота коленчатого вала до прихода трехгранного ротора 2 в верхнюю мертвую точку. Давление в форкамере 6 быстро повышается, и сгоревшие и еще продолжающие гореть активные пламенные газы выбрасываются с высокими скоростями в основную камеру сгорания 10.
На границах вытекающих факелов происходит энергичное смешение пламенных газов со смесью в основной камере 10, в результате чего она воспламеняется в ряде точек. Такое энергичное воспламенение в значительных объемах приводит к тому, что в основной камере 10 оказываются способными гореть с достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси при α=1,5…1,6. Воспламеняются и значительно более бедные смеси, но достаточно быстрое их сгорание наблюдается лишь в зоне действия форкамерных факелов.
Регулярность воспламенения и скорость сгорания в форкамерах оказываются исключительно высокими, причем интервал времени от момента проскакивания искры до достижения максимума давления в форкамере, при работе двигателя на полных и средних нагрузках не превышает 5…6° угла поворота коленчатого вала. Это объясняется не только наличием в форкамере обогащенной смеси, но и ее интенсивной мелкомасштабной турбулизацией, а также тем, что сгорание развивается в условиях небольшого полузамкнутого объема, что уменьшает рассеивание энергии искрового разряда свечей 7 и потери тепла на расширение. Давление в форкамере 6 быстро возрастает, продолжающие догорать газы выбрасываются с большой скоростью через сопловое отверстие 9.
За счет применения электронного блока управления с использованием микропроцессора (на фиг.1 не показаны) можно выбирать оптимальные варианты подачи топливной смеси конвертором, изменять энергетику электрической дуги и количественные соотношения топлива и воздуха, что делает процесс смесеобразования топливовоздушной смеси регулируемым и эффективным на всех режимах работы роторного двигателя независимо от используемого углеводородного топлива.
На малых нагрузках топливо впрыскивается только в вихревую камеру 6, а в основную камеру сгорания 10 подается чистый воздух. На больших нагрузках в основную камеру 10 поступает обедненная топливовоздушная смесь, подготовленная и подаваемая через плазматрон 5.
Технико-экономическая эффективность заключается в том, что это приводит к существенной экономии топлива на частичных нагрузках при практически таком же его удельном расходе на максимальной мощности, как в аналогичном двигателе с обычным искровым зажиганием, одновременно существенно снижается токсичность отработавших газов.