ТРЁХРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TRIPLE-ROTOR ICE MECHANISM

Изобретение относится к двигателестроению и может найти применение в автомобильной, мото- и снегоходной технике, судостроении, строительной и сельскохозяйственной технике, в военной технике и других областях, где требуется высокая литровая и удельная мощность, а также топливная экономичность и низкое содержание вредных веществ в отработанных газах.
Известен роторный двигатель Кашеварова Ю.Б. РДК-17, патент RU 2121066, содержащий статоры компрессора и двигателя, соединенные воздуховодом, одновременно выполняющим функции камеры сгорания. В воздуховоде также размещены: инерционный воспламенитель, свеча зажигания, форсунка для впрыска топлива и дверца, соединенная с пластинчатой пружиной и перекрывающая окно воздуховода со стороны компрессора. В статорах компрессора и двигателя установлены роторы, каждый из которых снабжен заслонкой, которые имеют возможность перемещаться в диаметральной плоскости ротора.
Однако известный двигатель не в полной мере реализует возможности раздельной схемы (компрессор-двигатель) и имеет следующие недостатки:
1. Конструкция не позволяет делать больше рабочих ходов за один оборот выходного вала;
2. Большие газодинамические потери на входе в воздуховод (камеру сгорания);
3. Низкий индикаторный КПД из-за не эффективной организации рабочего процесса;
4. Повышенное содержание вредных веществ в отработанных газах;
5. Односторонняя нагрузка на подшипники выходного вала.
Известен двухроторный механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий компрессор-сжигатель (далее просто компрессор), в котором выполняются такты: всасывания, сжатия, сгорания и передачи энергии расширяющихся газов из компрессора (камер сгорания) в тепловую машину, и тепловую машину (далее просто машина), в которой выполняются такты рабочего хода и выпуска отработанных газов. Механизм имеет корпус, в котором выполнены два цилиндра. Один из них - цилиндр компрессора, направляющая которого может быть полуокружностью - полуэллипсом или полуокружностью - полуовалом, а второй - цилиндр машины, направляющая которого может быть полуокружностью - полуэллипсом или полуокружностью - полуовалом. В цилиндры соосно вставлены роторы, соответственно ротор компрессора и ротор машины. Образованные при этом полости являются: полостью всасывания - сжатия в компрессоре и полостью рабочего хода - выпуска в машине. Причем объем полости в компрессоре может отличаться от объема полости в машине. В полости всасывания - сжатия также имеется окно впуска, форсунка для впрыска легкого топлива, которая может быть установлена в любом месте цилиндрической поверхности полости, например в начале такта сжатия, а так же вне полости, например в впускном коллекторе, и источник воспламенения. В дизельном исполнении механизма вместо источника воспламенения устанавливается форсунка. В полости рабочего хода - выпуска имеется окно впуска (канал) и выпуска отработанных газов. В каждом роторе, на одинаковом расстоянии друг от друга, в зависимости от требуемой мощности, могут быть выполнены от двух до четырех радиальных пазов. На цилиндрической поверхности ротора компрессора, перед пазами, по ходу вращения, выполнены углубления, служащие камерами сгорания. В пазах установлены пластины. В компрессоре - пластины всасывания - сжатия, в машине - рабочего хода - выпуска, которые имеют возможность выталкиваться к внешним поверхностям полостей упругими элементами, например пружинами. На боковых сторонах пластин находятся цилиндрические выступы с размещенными на них подшипниками для снижения трения. Они взаимодействуют с соответствующими ограничительными дорожками компрессора и машины, выполненными по заданным траекториям в торцевых крышках. Причем траектории дорожек для компрессора и машины могут отличаться. Дорожки выполнены таким образом, что пластины, описывая внешние поверхности полостей, в то же время их не касаются. Цилиндр компрессора соединен с рабочей полостью машины каналом, который начинается после завершения фазы сгорания в перемычке между цилиндрами и представляет собой углубление, выполненное на цилиндрической поверхности компрессора, с глубиной в начале, равной толщине перемычки. Затем канал продолжается по цилиндрической поверхности компрессора по ходу вращения ротора и, не доходя до геометрического начала полости всасывания – сжатия, он заканчивается. При этом его глубина (сечение) на всем протяжении может быть постоянной или постепенно уменьшаться.
Валы роторов связаны передачей в отношении 1:1. Для исполнения механизма, имеющего роторы с двумя пазами, двумя пластинами и двумя камерами сгорания (только на роторе компрессора), возможно увеличение времени для сгорания в два раза путем изменения передаточного отношения на 2:1, замены ротора компрессора на ротор с удвоенным числом радиальных пазов, пластин и камер сгорания. При этом длину канала уменьшают вдвое.
С учетом отделенного такта сгорания механизм имеет следующие фазы:
1. Фаза всасывания - сжатия начинается от впускного окна и продолжается до точки пересечения полуэллипса (полуовала) с полуокружностью;
2. Фаза сгорания начинается от источника воспламенения (форсунки) и продолжается до начала канала;
3. Фаза передачи энергии расширяющихся газов из компрессора (камер сгорания) в рабочую полость на пластины машины (она же фаза рабочего хода - выпуска) начинается от начала и продолжается до конца канала - в компрессоре и от входа соединительного канала в рабочую полость машины до окна выпуска отработанных газов - в машине.
Однако известный механизм не полностью реализует возможности получения более высокой удельной мощности и крутящего момента, а также не снижена односторонняя нагрузка на подшипники выходного вала.
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
1. Повышение удельной мощности и крутящего момента;
2. Снижение до минимальных значений нагрузки на подшипники выходного вала.
Поставленная задача достигается:
1. Изменением конструкции механизма, в котором тепловая машина может иметь две рабочие полости, на каждую из которых работает свой компрессор-сжигатель.
Предлагаемый трехроторный механизм двигателя внутреннего сгорания (далее просто механизм) состоит из трех основных частей:
1. Два компрессора-сжигателя (далее просто компрессоры) с соосно размещенными роторами, в которых выполняются такты: всасывания, сжатия, сгорания и передачи энергии расширяющихся газов из компрессоров (камер сгорания) в тепловую машину (он же такт рабочего хода - выпуска в тепловой машине);
2. Тепловая машина (далее просто машина) с соосно размещенным ротором, имеющая две рабочие полости, в которых выполняются такты рабочего хода и выпуска отработанных газов.
Механизм иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5. На фиг. 1 изображен общий вид механизма с машиной, имеющей две рабочие полости, с двумя компрессорами и с роторами, имеющими по два радиальных паза, по две пластины и по две камеры сгорания на роторах компрессоров, со снятой крышкой в положении пластин тепловой машины, находящихся перед рабочим ходом. На фиг. 2 изображен разрез по пластине (по конструкции пластины одинаковы и могут отличаться только размерами). На фиг. 3 изображен вариант исполнения механизма с роторами, имеющими по три радиальных паза, по три пластины и по три камеры сгорания на роторах компрессоров (впускные коллекторы и форсунки не показаны). На фиг. 4 изображен вариант исполнения механизма с роторами, имеющими по четыре радиальных паза, по четыре пластины и по четыре камеры сгорания на роторах компрессоров (впускные коллекторы и форсунки не показаны). На фиг. 5 изображен вариант исполнения механизма с передаточным отношением 2:1, с увеличенным вдвое временем для сгорания смеси, имеющий меньшую в два раза длину каналов (впускные коллекторы и форсунки не показаны).
Механизм состоит из корпуса 1, в котором выполнены три цилиндра. Один из них, в центре - цилиндр машины 3, направляющая которого может быть эллипсом или овалом, а в противоположных от него сторонах - цилиндры компрессоров 2, направляющие которых могут быть полуокружностью - полуэллипсом или полуокружностью - полуовалом. В цилиндрах соосно размещены роторы, соответственно ротор машины 5 и роторы компрессоров 4. Образованные при этом полости являются: полостями всасывания - сжатия 7 - в компрессорах и полостями рабочего хода - выпуска 9 - в машине. Причем объемы полостей в компрессорах могут отличаться от объемов полостей в машине. В полостях всасывания - сжатия также имеются окна впуска 8, форсунки 22 для впрыска легкого топлива, которые могут быть установлены в любом месте на цилиндрических поверхностях полостей, например в начале такта сжатия, а также вне полостей, например в впускных коллекторах 23, и источники 21 воспламенения. В дизельном исполнении механизма вместо источников воспламенения устанавливаются форсунки. В полостях рабочего хода - выпуска 9 имеются окна впуска (каналы 20) и выпуска 10. В каждом роторе, на одинаковом расстоянии друг от друга, в зависимости от требуемой мощности могут быть выполнены от двух до четырех радиальных пазов 11. На цилиндрических поверхностях роторов компрессоров перед пазами, по ходу вращения, выполнены углубления, служащие камерами 12 сгорания. В пазах установлены пластины. В компрессорах - пластины всасывания - сжатия 13, в машине - пластины рабочего хода - выпуска 14, которые имеют возможность выталкиваться к внешним поверхностям полостей упругими элементами, например пружинами 15. На боковых сторонах пластин находятся цилиндрические выступы 16 с размещенными на них подшипниками 17 для снижения трения. Они взаимодействуют с ограничительными дорожками 18-к компрессоров и 18-м машины, выполненными по заданным траекториям в торцевых крышках 19. Дорожки выполнены таким образом, что пластины, описывая внешние поверхности полостей, их не касаются. Цилиндры компрессоров 2 соединены с рабочими полостями машины 9 каналами 20, служащими для передачи энергии расширяющихся газов из компрессоров (камер 12 сгорания) в рабочие полости 9 на пластины машины 14. Эти каналы 20 начинаются после завершения фазы сгорания, в перемычках между цилиндрами и представляют собой углубления, выполненные на цилиндрических поверхностях компрессоров, с глубинами в начале, равными толщинам перемычек, т.е. в самом начале это отверстия. Затем каналы продолжаются по цилиндрическим поверхностям компрессоров по ходу вращения роторов и, не доходя до геометрических начал полостей всасывания - сжатия (до предполагаемой установки уплотнений), они заканчиваются.
При этом их глубина (сечение) на всем протяжении может быть постоянной(ым) или постепенно уменьшаться.
Валы 6 роторов связаны передачей в отношении 1:1. Для исполнения механизма, имеющего роторы с двумя пазами, двумя пластинами и двумя камерами сгорания (только на роторах компрессоров), возможно увеличение времени для сгорания в два раза путем изменения передаточного отношения на 2:1 и замены роторов компрессоров на роторы с удвоенным числом радиальных пазов, пластин и камер сгорания. Длины каналов при этом уменьшают вдвое.
При таком выполнении механизма с учетом отделенного такта сгорания получаются следующие фазы:
1. Фаза всасывания - сжатия начинается от впускных окон и до точек пересечения полуэллипса (полуовала) с полуокружностью;
2. Фаза сгорания начинается от источников воспламенения и до начала каналов;
3. Фаза отдачи энергии расширяющихся газов из компрессоров (камер сгорания) в рабочие полости на лопасти машины (она же - фаза рабочего хода - выпуска) начинается от начала и до конца каналов - в компрессорах и от входов соединительных каналов в рабочие полости машины до окон выпуска отработанных газов - в машине.
Работа механизма осуществляется следующим образом. При вращении роторов в указанном стрелкой направлении в полостях всасывания - сжатия 7 компрессоров происходит следующее: под действием пружин 15 и центробежных сил пластины 13 выталкиваются из роторов, но благодаря выступающим за боковые пределы пластин цилиндрическим выступам 16 с размещенными на них подшипниками 17 обкатываются по ограничительным дорожкам 18-к. При этом торцы пластин описывают внешние поверхности полостей всасывания - сжатия 7. В результате этого перед пластинами может происходить сжатие смеси или воздуха, а за ними - всасывание. Сжимаемая смесь или воздух поступает в камеры 12 сгорания и поджигается источниками 21 воспламенения (в дизельном исполнении впрыскивается топливо из форсунок, установленных вместо источников 21 воспламенения). При дальнейшем повороте роторов происходит сгорание смеси в замкнутых объемах камер сгорания (изохорный процесс). При передаче 1:1 фаза сгорания ограничена источниками воспламенения (форсунками) и началами каналов и ориентировочно может доходить до 90 и более градусов (с учетом опережения зажигания). Если времени до полного сгорания будет недостаточно, то в исполнении механизма, имеющего роторы с двумя пазами, двумя пластинами и двумя камерами сгорания (только на роторах компрессоров), возможно увеличение времени для сгорания вдвое путем изменения передаточного отношения на 2:1 и замены роторов компрессоров на роторы с удвоенным числом радиальных пазов, лопастей и камер сгорания. При этом длины каналов возможно уменьшить вдвое. При дальнейшем повороте ротора, после окончания такта сгорания, происходит открытие камер 12 сгорания в канал 20, и по нему давление расширяющихся газов передается в рабочие полости 9 на пластины машины 14. До пластин идет рабочий ход, перед пластинами - выпуск отработанных газов через канал 10 выпуска.
При таком выполнении механизма мощность и крутящий момент увеличиваются в два раза по сравнению с аналогом, а соответственно возрастает и удельная мощность.