РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, конкретно к роторно-лопастному двигателю внутреннего сгорания.
Уровень техники
Известно устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, ротор с лопастями, камеру сгорания со свечой, патрубок, подающий топливо в камеру сгорания, патрубок, подающий воздух в камеру сгорания, и клапан патрубка подачи воздуха с грибком, при этом в камере сгорания над грибком клапана выполнено углубление, осевая линия ротора и ось лопастей расположены эксцентрично, а лопасти закреплены на валу подвижно и проходят через прорези пальцев, установленных в роторе (патент на изобретение №2183280 по заявке №2000129395/06, 27.11.2000).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является то, что двигатель имеет большое количество лопастей, что неизбежно делает их тонкими в сечении и не позволяет создать между лопастями высокого давления, которое приведет к изгибу лопастей. Большое количество шарниров для лопастей делает их слабо укрепленными в стенке ротора, ненадежными в работе. Затвор между ротором и корпусом неплотный и способствует потерям среды. Внутреннее пространство ротора не участвует в преобразовании энергии. В связи с этим устройство имеет ограниченный ресурс непрерывной работы и низкие возможности по скорости вращения, производительности, созданию момента вращения.
Известно также устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания, содержащий последовательно включенные как по направлению, так и по количеству протекающего газа секции нагнетания и расширения с полостями, образованными поверхностями цилиндра и эксцентрично расположенного в нем ротора с лопастями, связанного с валом отбора мощности, причем лопасти закреплены шарнирно на оси цилиндра с возможностью касания внутренней поверхности цилиндра и его боковых щек и проходят через поворотные шарниры, расположенные в стенках ротора, а элементы, образующие полости секции нагнетания и расширения, кинематически связаны между собой (патент РФ на изобретение №2103528 по заявке №96123151/06, 04.12.1996).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является то, что двигатель состоит из двух раздельных устройств в виде секций, сопряженных механически для взаимодействия, обеспечивающего последовательное включение секций.
Наличие механизма сопряжения, увеличение длины вала для двух секций, малая часть эффективно используемого объема секций из-за окон входа и выхода в указанной конструкции делает устройство в целом ненадежным, имеющим низкий ресурс, увеличивает габариты и вес устройства.
Известен аналог, по своей совокупности существенных признаков наиболее близкий и взятый за прототип - роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса и подвижных элементов ротора, разделяющих внутренний объем камеры на полости, вал отбора мощности, расположенный эксцентрично относительно неподвижной оси ротора, впускное и выхлопа отработанных газов окна, механизм изоляции полости всасывания от полости выхлопа, концентрично закрепленное на валу отбора мощности водило, подвижные элементы представляют собой пластинчатые лопасти (патент РФ на изобретение №2422652 по заявке №2009111728/06, 30.03.2009).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является то, что двигатель имеет механический цилиндрический затвор между ротором и корпусом в самом большом по величине расстоянии, механизм сопряжения вращения ротора и указанного затвора. Наличие этих конструктивных решений делает двигатель низкоэффективным по механическому износу движущихся деталей, снижает эффективность использования объема камеры расширения, дает увеличение габаритов и веса устройства, снижает возможности по скорости вращения вала.
Приведенные в патентах аналоги имеют низкий потенциал ресурса, ненадежны, не предназначены для получения высоких силовых характеристик по скорости и моменту вращения на валу, имеют большое отрицательное воздействие на окружающую среду в части шума и вредных выбросов, не имеют гарантированного отвода выделяемого при работе двигателя внутреннего сгорания тепла от лопастей и ротора, что неизбежно граничит с риском заклинивания в работе.
Техническая проблема заключается в создании двигателя по преобразованию энергии газообразного рабочего тела потока, высокого давления - газов горения топлива, в кинетическую энергию движущихся рабочих элементов двигателя.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия, увеличении надежности, улучшении экологических характеристик, упрощении конструкции и снижении ее массовых и габаритных размеров, достигается тем, что роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, также содержащий камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса и подвижных элементов ротора, разделяющих внутренний объем камеры на полости, вал отбора мощности, расположенный эксцентрично относительно неподвижной оси ротора, впускное и выхлопа отработанных газов окна, подвижные элементы представляют собой пластинчатые лопасти, содержит два контура в одном корпусе, из которых первый контур содержит камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса и подвижных элементов ротора, разделяющих внутренний объем камеры на полости без пересечения полостей механизмом разделения, причем второй контур, который через окна входа и выхода рабочей среды, предпочтительно жидкого масла, размещенные на торцевой поверхности корпуса, через каналы в теле лопастей, в стенке ротора, корпуса, шарниров, втулок лопастей, через зазоры для смазки пар трения лопасть-вал, лопасть-шарнир, шарнир-ротор распределяет потоки второго вспомогательного контура, при этом содержит дополнительный вал отбора мощности, из которых первый основной вал ротора для отбора мощности, расположенный эксцентрично относительно вспомогательного вала лопастей на корпусе, неразрывно связан с вращающимся ротором, укреплен в корпусе вместе с ротором с помощью подшипников и имеет уплотнение между валом и корпусом для обеспечения герметичности для рабочих сред, а также второй вспомогательный вал, укрепленный неподвижно на корпусе для обеспечения вращения вокруг него лопастей, или, если одна из лопастей изготавливается за одно с валом и вал вращается вместе с лопастью, вал в корпусе укреплен подшипниками и имеет уплотнение в корпусе для обеспечения герметичности для рабочих сред, а окна входа топливной смеси, воздуха для приготовления топливного заряда, воздуха для продувки полости внешнего контура, окно выхода отработанных газов, свечи зажигания расположены на цилиндрической и торцевых сторонах корпуса, причем количество свечей увеличено до двух или трех с распределением их по объему рабочей камеры в полости инициации горения, при этом лопасть является не пластинчатым элементом, а имеет соотношение величины высоты к величине ширины в сечении плоскостью, параллельной оси вращения, 0,1-3 и предпочтительное количество лопастей три и затворы обеспечиваются дополнительно в точке касания ротора и корпуса, втулки лопастей и ротора, причем соотношение величины внешнего диаметра ротора и величины внутреннего диаметра корпуса составляет 0,51-0,99, причем величина толщины стенки полого ротора находится в пределах 0,05-0,32 от величины внутреннего диаметра корпуса.
Сущность технического решения поясняется на фиг. 1 - 3.
На фиг. 1. показан общий вид устройства.
На фиг. 2 показано положение лопастей и соответствующие данному положению размеры полостей внешнего контура для момента начала инициирования горения в заштрихованной полости.
На фиг. 3 показано следующее положение лопастей и соответствующие данному положению размеры полостей внешнего контура для момента окончания расширения отработанных газов в заштрихованной полости.
Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса 1 и подвижных элементов ротора 2, разделяющих внутренний объем камеры на полости, вал отбора мощности 10, расположенный эксцентрично относительно неподвижной оси ротора 11, впускное 5 и выхлопа отработанных газов 9 окна, подвижные элементы представляют собой пластинчатые лопасти 3, отличается тем, что он состоит из двух контуров, при этом первый контур содержит камеру с замкнутым объемом, образованную поверхностями неподвижного корпуса и подвижных элементов ротора, разделяющих внутренний объем камеры на полости щелевой продувкой воздухом, а второй контур, который через окна входа 6 и выхода 7 рабочей среды, предпочтительно жидкого масла, размещенные на торцевой поверхности корпуса, через каналы в теле лопастей, в стенке ротора, корпуса, шарниров, втулок лопастей, через зазоры для смазки пар трения лопасть-вал, лопасть-шарнир, шарнир-ротор распределяет потоки дополнительного вспомогательного контура, который имеет второй вал отбора 10, причем первый основной вал 11 ротора для отбора мощности, расположенный эксцентрично относительно вспомогательного вала лопастей на корпусе 10, неразрывно связан с вращающимся ротором, укреплен в корпусе вместе с ротором с помощью подшипников и имеет уплотнение между валом и корпусом для обеспечения герметичности для рабочих сред, а второй вал 10, укрепленный неподвижно на корпусе для обеспечения вращения вокруг него лопастей, или, если одна из лопастей изготавливается за одно с валом и вал вращается вместе с лопастью 3, вал в корпусе укреплен подшипниками и имеет уплотнение для обеспечения герметичности для рабочих сред, при этом окна входа топливной смеси 4, воздуха 5 для приготовления топливного заряда, воздуха для продувки полости внешнего контура 5, окно выхода отработанных газов 9, свечи зажигания 12 расположены на цилиндрической и торцевых сторонах корпуса, а количество свечей увеличено до двух или трех с распределением их по объему рабочей камеры в полости инициации горения, причем лопасть 3 имеет соотношение величины высоты к величине ширины в сечении плоскостью, параллельной оси вращения, 0,1-3 и предпочтительное количество лопастей три, а затворы обеспечиваются дополнительно в точке касания ротора и корпуса 14, втулки лопастей и ротора 15, причем соотношение величины внешнего диаметра ротора 2 и величины внутреннего диаметра корпуса 1 составляет 0,51-0,99; величина толщины стенки полого ротора 2 находится в пределах 0,05-0,32 от величины внутреннего диаметра корпуса 1.
Работа двигателя внутреннего сгорания, организованная по схеме варианта устройства роторно-лопастного двигателя, изображенного на фиг. 1, излагается как один из примеров по следующим основаниям. На фиг. 1 изображен вариант двухконтурного, трехлопастного со средними параметрами соотношения диаметров ротора и корпуса, контактирующего ротора и втулки лопастей и без контактного ротора с корпусом, секциями внешнего контура с обеспечением полного цикла подготовки и использования топливной смеси, секциями внутреннего контура с обеспечением циркуляции смазывающего и охлаждающего компонента по всем узлам двигателя, продувочной секцией во внутреннем контуре для снижения остаточного содержания отработанных газов в воздухе. В краткой характеристике параметров исполнения устройства каждый из отдельных параметров имеет несколько решений и в связи с этим схем реализации возможно некоторое множество.
Приготовленная топливная смесь, находящаяся в серповидном по площади секторе между корпусом 1, ротором 2 и лопастью 3, а по высоте ограниченная плоскими крышками корпуса 1 (дополнительное сечение корпуса изображено справа от основного разреза на фиг. 1), воспламеняется и горит с большой скоростью в указанном объеме внешнего контура двигателя. За счет расширения упругого газа, состоящего из продуктов сгорания топлива в кислороде воздуха, имеющего высокую температуру, давление в указанной полости контура воздействует на неподвижный корпус фиг. 1, вращающийся ротор фиг. 2, подвижную в роторе и корпусе лопасть 3. Эксцентричное расположение ротора в корпусе создает разницу плеч давления газового потока на ротор, что заставляет его поворачиваться в сторону направления вращения, обозначенную на фиг. 1 стрелкой. По мере перемещения лопасти 3 в направлении от свечи зажигания 12 к окну выхлопа 9 объем полости, занимаемый отработанными газами, возрастает и давление газа в этой полости снижается. Одновременно за этот же такт движения лопасти 3 от положения у свечи зажигания 12 к положению у окна выхлопа 9 изменяется в сторону увеличения плечо воздействия давления газа на ротор с лопастью относительно оси ротора. Одновременно за этот же такт движения ротора от положения у свечи 3 к окну выхлопа 9 изменяется рычаг передачи воздействия лопасти через шарнир 8 на ротор с соотношения сторон рычага меньше единицы у свечи зажигания до соотношения сторон рычага больше единицы у окна выхлопа. Совокупность описанных трех одновременных действий устройства в указанной полости внешнего контура устройства позволяет совершить такт сжигания и расширения отработанных газов с передачей энергии потока газа энергии вращения вала ротора. При этом вращающиеся на валу 10 неподвижного корпуса 1 лопасти 3 во втулках 13, шарниры 8, ротор 2 участвуют в преобразовании внутренней энергии топлива в целевую для двигателя механическую энергию вращения вала привода 11, неразрывно связанного в исполнении с ротором 2. Описанная работа в данной полости внешнего контура совершается каждой лопастью и за один оборот вала ротора в соответствии с изображенными на фиг. 1 тремя одинаковыми лопастями трижды. Этот такт работы устройства характеризуется относительно медленным снижением давления газа в указанной полости.
Следующий такт работы двигателя начинается с момента пересечения передней кромки выхлопного патрубка 9 на корпусе 1 задней кромкой поворачивающейся лопасти 3. Отработанные газы выходят из полости через патрубок 9, продолжая воздействие на лопасть 3 до полного снижения давления в полости. Этот такт работы характеризуется резким снижением давления отработанных газов.
Суммарное действие преобразования энергии потока отработанного газа в первом и втором описанных тактах является целевым направленным преобразованием. Для обеспечения работы двигателя в непрерывном цикле работы требуются последующие действия, ведущие к потерям внутренней энергии топлива, которые необходимо совершить для качественной подготовки топливной смеси к преобразованию.
Одновременно с окончанием второго такта начинается такт продувки полости внешнего контура, находящейся за патрубком 9 по ходу движения лопасти 3. Через патрубок 5 в корпусе 1 в эту полость подается воздух и, заполняя эту полость, выходит через патрубок 9. В момент пересечения передней кромкой по ходу движения перемещающейся лопасти 3 задней кромки патрубка 5 на неподвижном корпусе 1 продувка прекращается и начинается сжатие отсеченного в следующей после патрубка 5 полости. Такт продувки на этом прекращается. Этот такт характеризуется низким давлением и высокой скоростью газовых сред отработанных газов предыдущего такта выхлопа и воздуха.
Следующий такт сжатия происходит в зависимости от организации затвора в устройстве между лопастями, образующими постоянно уменьшающуюся в объеме полость во внешнем контуре на участке от окна 5 до участка наиболее близкого положения между ротором и корпусом в точке касания 14. В этом месте происходит максимальное сжатие воздуха, который далее используется для приготовления топливно-воздушной смеси, продувки. Этот такт характеризуется относительно плавным увеличением давления до максимального, требующегося для организации топливно-воздушной смеси.
Следующий такт после прохождения полости сжатия в верхней точке ротора 14 происходит при впрыске топлива через патрубок 5 на корпусе 1 после пересечения рабочей лопастью задней своей кромкой задней кромки патрубка 5. После впрыска топлива такт в этой же полости переходит в первый такт инициации горения и цикл для лопасти повторяется. Этот такт характеризуется небольшим снижением давления перед инициацией горения в период после прохождения рабочей лопастью патрубка 5 и до прохождения лопастью одной или нескольких свечей зажигания 12.
Таким образом, перечисленные пять основных тактов соответствуют принципиально существующим схемам работы известных двигателей сгорания поршневого и роторного типов.
За один оборот вала ротора максимально совершается полный цикл работы трех лопастей или, если нет необходимости в полной нагрузке двигателя, рабочий цикл включается для двух или для одной лопасти, что уменьшает нагрузку преобразования на устройство до требуемой. Работа внутреннего контура устройства, расположенного между вращающимся ротором и втулками вращающихся лопастей, является вспомогательной, обеспечивающей более эффективное целевое преобразование. Вал 10, выполненный как единое целое с корпусом 1, является центром для вращения вокруг него лопастей 3. Внутри ротора образуется объемная машина вытеснения, которая используется для регулирования процессов, происходящих во внешнем контуре по параметрам давления, температуры и состава. Через внутренний контур предпочтительно пропускать жидкость для целей смазки, охлаждения и организации уплотнения затворов устройства, но допускается использование этого контура для целей сжатия дополнительного количества воздуха.
За счет изменения объема полости во входной камере у патрубка 6 в сторону увеличения создается разрежение и жидкость, предпочтительно масло, поступает во внутренний контур устройства. Перед лопастью, за которой создается разрежение, происходит работа переноса жидкости по контуру в сторону направления вращения к окну выхода 7. После окончания перемещения лопасть рабочая лопасть совершает вывод жидкости через патрубок 7 с одновременным преодолением сопротивления системы выхода жидкости. Отличительной особенностью объемной машины перекачивания жидкости является требование открытия одного из окон для избегания потерь на «сжатие» несжимаемой по определению среды. Создание искусственного сопротивления на тракте выхода жидкости может создать повышенное давление в контуре со стороны полостей выхода и переноса. Создание искусственного сопротивления со стороны полости входа в контур позволяет увеличить разрежение со стороны входа жидкости. Работа контура с газовой средой аналогична работе полости сжатия внешнего контура. При работе внутреннего контура на газовой среде смазка обеспечивается от внешнего агрегата. Потенциал перепада давлений на выходе и входе контура позволяет регулировать параметры работы двигателя в целом. Регулируются расход масла или газа через внутренний контур, давление во внутреннем контуре, температура во внутреннем контуре и другие параметры. Осевые и штриховые наклонные параллельные линии на фиг. 2 и фиг. 3 показывают направление воздействия давления рабочей среды, а расстояние от крайней осевой линии до штриховой указывает на рост плеча прикладываемой силы в полный период рабочего цикла одной лопасти. Цель регулируемых изменений параметров работы внутреннего контура по давлению, температуре, составу и расходу масла заключается в увеличении эффективности использования внутренней энергии топлива за счет повышения величины прямого целевого преобразования и снижения величины потерь.
Совокупность приведенных возможностей взаимодействия контуров в работе, исполнение устройства в соответствии с описанием приводит к решению поставленной технической задачи.