Роторный двигатель внешнего сгорания
ROTARY EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно, к роторным двигателям с внешним подводом тепла, работающим как по замкнутому циклу, так и по незамкнутому.
Известен роторный двигатель с внешним подводом тепла, содержащий статор, установленный в нем с образованием холодной и горячей рабочих камер переменного объема профилированный трехгранный ротор, при этом холодная камера снабжена впускными отверстиями, сообщенными с впускными трубопроводами, а также выпускными отверстиями, которые сообщены с впускными отверстиями горячей камеры посредством перепускных трубопроводов, горячая камера снабжена также выпускными отверстиями, сообщенными с выпускными трубопроводами, причем выпускные и перепускные трубопроводы расположены в теплообменнике с возможностью передачи тепла от нагретых выпускных трубопроводов к перепускным трубопроводам (RU 2319848C1, опуб., 20.03.2008).
Недостатками известного двигателя являются значительные потери заряда в связи с закрытием и открытием впускных и выпускных отверстий только поверхностью ротора, при этом отсутствует возможность регулирования фаз газораспределения для оптимизации работы двигателя на различных скоростных режимах.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности работы двигателя за счет уменьшения потерь заряда при осуществлении процессов газораспределения по термодинамическому циклу Эриксона.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что роторный двигатель внешнего сгорания, содержит статор, установленный в нем с образованием холодной и горячей рабочих камер переменного объема профилированный (трех-, пяти-, семигранный и т.д.) ротор, имеющий в сечении постоянный диаметр, т.е. длину наибольшей хорды в различных положениях ротора при его движении на двух опорных рабочих валах двигателя, при этом холодная камера снабжена впускными отверстиями, сообщенными с впускными трубопроводами, а также выпускными отверстиями, которые сообщены с впускными отверстиями горячей камеры посредством перепускных трубопроводов, горячая камера снабжена также выпускными отверстиями, сообщенными с выпускными трубопроводами, причем выпускные и перепускные трубопроводы расположены в рекуперативном теплообменнике с возможностью передачи тепла от нагретых выпускных трубопроводов очередной порции рабочего тела в перепускных трубопроводах, при этом, согласно изобретению, двигатель содержит связанный кинематически с рабочими валами ротора золотниковый цилиндрический орган, содержащий вал газораспределения, в котором выполнены сквозные радиальные перепускные и выпускные отверстия с возможностью сообщения перепускных трубопроводов с впускными отверстиями горячей камеры посредством перепускных каналов, а также сообщения горячей камеры с выпускными трубопроводами посредством выпускных каналов, при этом золотниковый орган установлен с возможностью сообщения отверстий и трубопроводов при его повороте, синхронизированном с поворотом рабочих валов ротора, в соответствующем угловом положении ротора относительно статора, причем перед входом в горячую камеру установлены самодействующие клапаны с возможностью предотвращения перепуска заряда из горячей камеры в перепускной трубопровод. Золотниковый орган может быть расположен в районе горячей полости двигателя. Газораспределительный вал золотникового органа и опорные рабочие валы ротора расположены параллельно. Вал золотникового органа связан с валами ротора с возможностью изменения своего углового положения относительно углового положения вала ротора в зависимости от режима работы двигателя. Самодействующие клапаны могут быть установлены непосредственно в газораспределительном вале золотникового органа или в перепускном трубопроводе перед золотниковым органом.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показано взаимное расположение золотникового органа и статора на поперечном разрезе двигателя;
На фиг. 2 то же на продольном разрезе двигателя в окончании такта выпуска отработавшего рабочего тела из горячей полости в выпускной трубопровод теплообменника;
На фиг. 3 показан золотниковый орган в различных угловых положениях;
На фиг. 4 - поперечный разрез золотникового органа.
Роторный двигатель внешнего сгорания содержит статор 1, движущийся в нем на колесах-роликах 16 двух рабочих валов 17 с образованием холодной 2 и горячей 3 рабочих камер переменного объема ротор 4 постоянного диаметра. Холодная камера 2 снабжена впускными отверстиями 5, сообщенными с впускными трубопроводами, а также выпускными отверстиями 6, которые сообщены с впускными отверстиями 7 горячей камеры 3 посредством перепускных трубопроводов 8. Горячая камера 3 снабжена также выпускными отверстиями 9, сообщенными с выпускными трубопроводами 10, причем выпускные трубопроводы 10 охватывают перепускные трубопроводы 8 и расположены в рекуперативном теплообменнике 11 типа «труба в трубе» с возможностью передачи тепла от нагретых выпускных трубопроводов 10 к перепускным трубопроводам 8. Двигатель содержит также связанный кинематически с рабочими валами ротора 4 золотниковый цилиндрический орган 12 газораспределительным валом 15. В золотниковом органе 12 выполнены сквозные радиальные перепускные 13 и выпускные отверстия 14 заданного количества и размера с возможностью сообщения перепускных трубопроводов 8 с впускными отверстиями 7 горячей камеры 3 посредством перепускных каналов 13, а также сообщения горячей камеры 3 с выпускными трубопроводами 10 посредством выпускных каналов 14. Золотниковый орган 12 установлен с возможностью сообщения камер 2 и 3 между собой, а также их сообщения с трубопроводами при повороте газораспределительного вала 15, синхронизированном с поворотом рабочих валов 17 двигателя, в соответствующем угловом положении ротора 4 относительно статора 1. Перед входом в горячую камеру 3 установлены самодействующие клапаны 18 с возможностью предотвращения перепуска заряда из горячей камеры 3 в перепускной трубопровод 8. Золотниковый орган 12 в предпочтительном выполнении расположен в районе горячей полости 3. Валы золотникового органа 12 и ротора 4 расположены параллельно.
Газораспределительный вал 15 золотникового органа 12 связан с рабочими валами 17 ротора 4 с возможностью изменения своего углового положения относительно углового положения вала ротора 4 посредством управляющего механизма 19 (устройство на чертежах не показано) в зависимости от режима работы двигателя.
Самодействующие клапаны 18 могут быть установлены в перепускном трубопроводе 8 непосредственно перед золотниковым органом 12 или во впускных отверстиях 13 (каналах) его газораспределительного вала.
Описываемый двигатель работает следующим образом. В начальном состоянии ротор 4 находится в крайнем левом положении и определенное количество рабочего тела (воздух гелий, водород и т.п) находится в перепускном канале 8 теплообменнике 11 рекуперативного типа (устройство на чертежах не показано) под определенным давлением, превышающем давление рабочего тела в холодной полости 2, а внешняя поверхность горячей полости 3 двигателя накалена докрасна внешним источником тепла, например, газовой или бензиновой горелкой. В крайнем левом положении ротора 4, который вращается по часовой стрелке на колесах-роликах 16 рабочих валов 17 с шестернями, которые находится в постоянном зубчатом соединении с зубчатым венцом ротора 4, газораспределительный вал 15 золотникового органа 12 проворачивается управляемым приводом 19 (его устройство на чертежах не показано) в положение впуска рабочего тела из перепускного трубопровода 8 теплообменника 11 в горячую полость 3 двигателя. Попадая на раскаленную внутреннюю поверхность горячей полости 3 двигателя, рабочее тело расширяясь повышает свое давление, которое обеспечивает автоматическое перекрытие впускного канала самодействующими клапанами 18 после превышения давления в перепускном трубопроводе 8 теплообменника 11. Далее продолжается рабочий такт двигателя, т.е. передается крутящий момент на рабочие валы с маховиками (на чертежах не показаны) и одновременно сжимается очередная порция рабочего тела в холодной полости 2, которая поступает под давлением в перепускной трубопровод 8 теплообменника 11. В крайнем правом положении ротора 4 газораспределительный вал 15 золотникового органа 12 проворачивается, закрывает впускные отверстия 7 горячей камеры 3 и открывает выпускные отверстия 9, через которые при движении ротора 4 в крайнее левое положение обеспечивается выпуск нагретого, отработавшего рабочего тела в выпускной трубопровод 10 через теплообменник 11 и передача остаточного тепла отработавшего рабочего тела очередной порции рабочего тела, находящемуся в перепускном трубопроводе рабочему телу, повышая его давление и КПД двигателя (фиг. 1 и 2). В крайнем левом положении ротора 4 вал 15 золотникового органа 12 проворачивается управляющим механизмом 19, перекрывает выпускное отверстие 9 горячей камеры 3 и открывает впускные отверстия 7. Цикл повторяется. В зависимости от режима работы двигателя во время рабочего хода предусматривается возможность одновременного перекрытия золотниковым органом 12 и впускного и выпускного отверстий за счет подбора их количества, диаметров, профиля и относительного угла между осями отверстий (фиг. 3 и 4).
Таким образом, использование отдельного золотникового органа 12 с общим валом газораспределения 15 позволяет упростить конструкцию двигателя внешнего сгорания и обеспечить выбор оптимальных фаз впуска и выпуска рабочего тела из горячей полости, в том числе и за счет использования возможности изменения углового положения золотникового органа 12 относительно ротора 4, что снижает потери заряда и значительно повышает эффективность работы двигателя, работающего по термодинамическому циклу Эриксона.