РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY PISTON ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Известна конструкция роторно-поршневого двигателя с компрессором для сжатия воздуха (см. патент US 3989011).
Недостатками этой конструкции являются:
- быстрый износ уплотняющих лопаток, воспринимающих как газовые усилия, так и нагрузку от инерционных сил;
- нестабильная и низкоэффективная работа при отклонении от номинального режима работы.
Известна конструкция роторно-поршневого двигателя Ванкеля (см. книгу: Орлин А.С. «Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей», Москва, Машиностроение, 1980 г., стр.358-361).
Недостатками указанной конструкции являются:
- сложная форма конструкции корпуса, ротора и его привода;
- низкий ресурс механических уплотнений.
Наиболее близким по технической сущности является роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус, ротор с цилиндрическим уступом, расположенным в торцевых крышках, камеру сгорания, топливную форсунку, воздушный компрессор высокого давления и рекуперативный теплообменник для нагрева воздуха после компрессора теплом отходящих газов (см. патент RU 2143571).
Недостатками этой конструкции являются:
- необходимость прецизионного изготовления основных деталей двигателя и его высокоточная сборка;
- снижение термодинамической эффективности двигателя из-за сложности организации процесса горения в рабочем объеме двигателя, особенно для высокооборотных двигателей;
- снижение экономичности работы при отклонении режима работы от номинального.
Решаемая задача - повышение эффективности работы двигателя в широком диапазоне его работы и увеличение ресурса его работы.
С этой целью в двигателе, выполненном в виде корпуса, ротора с цилиндрическим уступом, расположенного в торцевых крышках, камеры сгорания, топливной форсунки, воздушного компрессора высокого давления и рекуперативного теплообменника для нагрева воздуха после компрессора теплом отходящих газов, цилиндрический уступ ротора выполнен в виде профильного кулачка, а в пазу корпуса установлен каркас в виде двух направляющих пластин, внутри которых размещена радиальная лопатка, и верхней крышки, при этом на верхней крышке смонтированы подпружиненный поршень, соединенный с лопаткой, и два подпружиненных упора с зазором 0,2…0,5 мм относительно верхнего торца лопатки, а в самой лопатке и направляющих пластинах, а также в торцевых крышках и корпусе выполнены каналы для воздушного уплотнения ротора, кроме того двигатель снабжен двумя теплоизолированными камерами сгорания периодического действия, при этом в каждой камере установлены клапаны впуска и выпуска, снабженные электромагнитом и сервоприводом, топливная форсунка с пневмоприводом и поршень для изменения геометрического объема камеры, а на линии подачи воздуха от компрессора в двигатель установлены два ресивера: один ресивер со встроенным электронагревателем установлен после рекуперативного теплообменника и подсоединен к камерам сгорания, а второй установлен до рекуперативного теплообменника, при этом к магистрали подачи сжатого воздуха после второго ресивера подключена пневматическая система в виде редукционных клапанов, ресиверов и электромагнитных клапанов, которая взаимосвязана с клапанами впуска и выпуска камер сгорания, пневмоприводами топливных форсунок, а также каналами для подачи уплотняющего воздуха в торцевых крышках, корпусе, направляющих пластинах каркаса и каналами радиальной лопатки.
По фондам Всероссийской патентно-технической библиотеки (ВПТБ) и Государственной публичной научно-технической библиотеки России (ГПНТБ) был произведен поиск для выявления аналогичных технических решений. Решений, совпадающих по отличительным признакам, обнаружено не было, на основании чего был сделан вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
На прилагаемых чертежах представлена конструкция предлагаемого роторно-поршневого двигателя:
на фиг.1 - общий вид двигателя;
на фиг.2 - сечение по А-А конструкции, представленной на фиг.1.
Роторно-поршневой двигатель включает: ротор 1 с цилиндрическим уступом на всю длину ротора, выполненного в виде профильного кулачка 2. Ротор 1 расположен в двух торцевых крышках 3 и 4 и в корпусе 5. В пазу корпуса 5 установлен каркас в виде двух направляющих пластин 6 и 7 и верхней крышки 8. Между направляющими пластинами 6 и 7 расположена радиальная лопатка 9, которая механически связана с поршнем 10, движущимся в цилиндре 11, установленном на верхней крышке 8. На поршень 10 действует пружина 12, прижимающая через поршень 10 лопатку 9 к поверхности ротора 1. Там же на верхней крышке 8 смонтированы два упора 13 с пружинами 14, при этом упоры 13 выполнены с зазором 0,2…0,5 мм относительно верхнего торца лопатки 9. Двигатель снабжен двумя камерами сгорания 15 и 16, в каждой из которых установлены: клапаны впуска 17, 18 с сервоприводами 19, 20 и быстродействующими электромагнитами 21, 22, клапаны выпуска 23, 24 с сервоприводами 25, 26 и быстродействующими электромагнитами 27, 28, топливные форсунки 29, 30 с пневмоприводами, а также поршни 31, 32 позволяющими изменять геометрические объемы камер сгорания 15, 16, которые трубопроводами 33 и 34 подключены к коллектору 35, выполненному на корпусе 5. На корпусе 5 также установлен коллектор 36, от которого по трубопроводу 37 выхлопные газы поступают в рекуперативный теплообменник 38, где отдают свое тепло воздуху, сжимаемому в компрессоре 39, после которого воздух под давлением 0,8…1,0 МПа поступает в теплообменник 38, при этом до и после теплообменника 38 установлены ресиверы 40 и 41. В ресивер 41 встроен пусковой электронагреватель 42. Высокотемпературный воздух высокого давления после ресивера 41 по трубопроводам 42 и 43 поступает к клапанам впуска 17 и 18, установленным на камерах сгорания 15 и 16. Двигатель снабжен пневмосистемой, подключенной к магистрали подачи сжатого воздуха после ресивера 40, и состоящей из:
- редуктора 44, ресивера 45 и электромагнитного клапана 46, подключенных к коллекторам 47 и 48, выполненных на торцевых крышках 3 и 4;
- редуктора 49, ресивера 50 и электромагнитного клапана 51, подключенных к коллектору 52, выполненному на корпусе 5;
- электромагнитного клапана 53, подключенного к сервоприводу 25 клапана выпуска 23, при этом на линии 54 подачи воздуха в сервопривод 25 установлена дюза 55;
- электромагнитного клапана 56, подключенного к сервоприводу 19 клапана впуска 17, при этом на линии 57 подачи воздуха в сервопривод установлена дюза 58;
- электромагнитного клапана 59, подключенного к сервоприводу топливной форсунки 29, при этом на линии 60 подачи воздуха установлена дюза 61;
- редуктора 62, ресивера 63, электромагнитного клапана 64, подключенного к каналам 65, выполненных в направляющих пластинах 6 и 7, при этом каналы постоянно сообщены с каналами 66, выполненными в лопатке 9;
- электромагнитного клапана 67, подключенного к сервоприводу 20 клапана впуска 18, при этом на линии 68 подачи воздуха установлена дюза 69;
- электромагнитного клапана 70, подключенного к сервоприводу топливной форсунки 30, при этом на линии подачи воздуха 71 установлена дюза 72;
- электромагнитного клапана 73, подключенного к сервоприводу 26 клапана выпуска 24, при этом на линии 74 подачи воздуха в сервопривод установлена дюза 75. Управление быстродействующими электромагнитами 21 и 22 клапанов впуска 17, 18 и электромагнитами 27 и 28 клапанов выпуска 23 и 24, а также электромагнитными клапанами пневмосистемы производится с помощью электронного блока управления (на чертеже не показан). На каждую камеру сгорания 15 и 16 нанесена теплоизоляция 76.
Работа роторно-поршневого двигателя происходит следующим образом. При нахождении ротора 1 в положении, показанном на фиг.1, от электронного блока управления подается команда на открытие электромагнитных клапанов 46, 51 и 64. В результате открытия клапанов воздух из ресиверов 45, 50 и 63 поступает с оптимальными давлениями для уплотнения ротора 1 в коллекторы 47 и 48, выполненные в торцевых крышках 3 и 4, в коллектор 52 на корпусе 5 и каналы 65 направляющих пластин 6 и 7 и далее каналы 66, сделанные в радиальной лопатке 9. Подача воздуха обеспечивает охлаждение деталей двигателя, а главное создает воздушное уплотнение рабочего объема двигателя при поступлении в него продуктов сгорания из камер сгорания 15 или 16, при этом клапан 64 открывается на время, равное работе двигателя, а время открытия клапанов 46 и 51 соответствует определенному углу поворота ротора 1. Также отличаются по величине и давление воздуха, подаваемого в коллекторы 47, 48, 52 и каналы 65, 66, при этом требуемое оптимальное значение давления для каждого канала устанавливается и поддерживается с помощью редукторов 44, 49 и 62 за счет отбора части расхода воздуха от компрессора 39. Одновременно с открытием клапанов 46, 51, 64 от электронного блока приходит команда на открытие электроклапана 53 и запитку током электромагнита 27 клапана выпуска 23. В результате сервопривод 25 клапана выпуска оказывается под давлением воздуха, создаваемого компрессором 39, при этом площадь сервопривода рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить полную силовую разгрузку клапана 23, что позволяет минимизировать усилие электромагнита 27, необходимое для открытия клапана. В результате открытия клапана 23 происходит поворот ротора под действием давления газов из открывающейся камеры сгорания 15 за счет накопленной в процессе горения заряда внутренней энергии. Горение топливного заряда происходит при постоянном объеме камеры сгорания 15 в условиях изохорного процесса, сопровождающегося повышением давления и температуры. При этом заполнение камеры сгорания воздухом высокого давления 0,8…1,0 МПа с температурой 400…500°С, впрыск дизельного топлива и процесс горения организованы таким образом, чтобы в момент окончания прохождения кулачка 2 ротора 1 радиальной лопатки 9 давление газов из камеры сгорания 15 сразу же передавалось на кулачок 2 ротора 1 после открытия клапана выпуска 23, когда газы из камеры сгорания 5 по трубопроводу 33 поступают в рабочий объем двигателя, создавая крутящий момент на валу двигателя. Таким образом, в положении ротора 1, отображенном на фиг.1, сразу же начинается рабочий ход двигателя, сопровождающийся снижением давления и температуры газов в камере сгорания 15. Одновременно с рабочим ходом происходит процесс выталкивания отработавших газов от предыдущего цикла через выхлопной коллектор 36 по трубопроводу 37 в рекуперативный теплообменник 38. Выхлопные газы, поступая в теплообменник с температурой порядка 700…750°С, нагревают воздух сжатый в компрессоре 39 до температуры порядка 450…500°С, т.е. температуры, достаточной для воспламенения топлива в периодически работающих камерах сгорания 15, 16, выделенных из рабочего объема двигателя. При повороте ротора 1 на определенные углы относительно лопатки 9 последовательно закрываются клапаны 51, а затем 46. После закрытия клапана 51 подача уплотняющего воздуха в зазор между кулачком 2 ротора 1 и корпусом 5, а также между ротором 1 и торцевыми крышками 3 и 4 прекращается, так как давление газов в рабочем объеме двигателя и камеры сгорания достаточно снижается, чтобы при дальнейшем повороте уплотнение рабочих газов происходило только за счет механических зазоров. Такое техническое решение позволяет уменьшить расход воздуха, отбираемого от компрессора 39. В момент подхода кулачка 2 ротора 1 к лопатке закрывается клапан 53, отключается электромагнит 27. Через дюзу 55 сбрасывается воздух из сервопривода 25 и трубопровода 54 и клапан выпуска 23 под действием пружины закрывается. Одновременно выдается команда на открытие клапана 56 и запитку электромагнита 21 клапана впуска 17. Так как площадь сервопривода 19 равна площади клапана 17 и равны давления действующие на их площади, то требуется небольшое усилие электромагнита 21 на открытие клапана 17. После открытия клапана 17 происходит заполнение камеры сгорания 15 воздухом высокого давления 0,8…1,0 МПа и температурой порядка 450…500°С. После чего отключается электромагнит 21, закрывается клапан 56, и небольшой объем воздуха из сервопривода 19 и трубопровода 57 сразу сбрасывается в атмосферу через дюзу 58, а клапан 17 под действием пружины закрывается. После закрытия клапана впуска 17 дается команда на открытие клапана 59, управляющего работой топливной форсунки 29 с пневмоприводом. В результате поступления воздуха в сервопривод форсунки 29 происходит впрыск топлива в камеру сгорания 15, его воспламенение и сгорание, сопровождающееся повышением давления и температуры в объеме камеры сгорания 15. После впрыска топлива клапан 59 закрывается и воздух из пневмопривода топливной форсунки 29 и трубопровода 60 через дюзу 61 сбрасывается в атмосферу. Это обеспечивает условия к следующему такту впрыскивания форсунки 29. Если продолжить поворот ротора далее, то под действием кулачка 2 ротора происходит вначале подъем лопатки 9 на высоту равную высоте кулачка 2, удержание на данной высоте, а затем опускание лопатки 9 с приходом лопатки 9 и ротора 1 снова в положение, показанное на фиг.1. С этого момента ротор вновь совершает рабочий ход, только уже под действием энергии газов, поступающих в рабочий объем двигателя, но уже из второй камеры сгорания 16. Вновь от электронного блока управления поступает команда на открытие электромагнитов 46, 51 для подачи воздуха на торцевое уплотнение и радиальное уплотнение ротора. Идет команда на открытие клапана 73 и подача воздуха в сервопривод 26 клапана выпуска 24 и запитку электромагнита 28. В результате под действием усилия, создаваемого электромагнитом 28, клапан 24 открывается и газ, образовавшийся в результате изохорного сгорания в камере 16, по трубопроводу 34 поступает в рабочий объем двигателя. Вновь на определенных углах поворота прекращается подача уплотняющего воздуха в торцевые крышки и коллектор 52 за счет закрытия клапанов 45, 51 отключается электромагнит 28, а в конце процесса расширения закрывается клапан 73, что приводит сразу же к сбрасыванию воздуха из сервопривода 26 и трубопровода 74 в атмосферу и закрытию под действием пружины клапана выпуска 24. После закрытия клапана выпуска 24 идет команда на подачу питания на электромагнит 22 клапана впуска и открытие клапана 67 с подачей воздуха в сервопривод 6. В результате клапан впуска 18 открывается и воздух высокого давления с температурой 450…500°С поступает в камеру сгорания 16 из ресивера 41, после чего электромагнит 22 отключается, клапан 67 закрывается, сбрасывается через дюзу 69 воздух из сервопривода 20 и трубопровода 68 и клапан впуска 18 под действием пружины закрывается. От электронного блока управления идет команда на открытие клапана 70, что обеспечивает подачу воздуха высокого давления по трубопроводу 71 в сервопривод топливной форсунки 30, происходит впрыск топлива под давлением в камеру сгорания 16, его воспламенение и процесс изохорного сгорания. После впрыска топлива клапан 70 закрывается и происходит сброс воздуха в атмосферу через дюзу 72 из сервопривода форсунки 30 и подготовка ее к последующей работе. Кулачок 2 ротора 1 и лопатки 9 опять приходят в положение, показанное на фиг.1, вновь в объем цилиндра двигателя поступает газ из первой камеры сгорания 15, и цикл повторяется.
Очень важным моментом в предлагаемой конструкции роторно-поршневого двигателя является то, что, выделенные из рабочего объема двигателя камеры сгорания 15 и 16, по своему действию работают периодически. Это позволяет заранее подготовить и растянуть процесс горения и удачно использовать накопленную в процессе горения внутреннюю энергию, что очень важно для быстровращающихся роторно-поршневых двигателей, которые в отличие от двигателей с кривошипно-шатунным механизмом не имеют верхней и нижней мертвых точек. Кроме того, каждая камера сгорания 15 и 16 оснащена поршнем 31 и 32, позволяющим менять геометрический объем камеры сгорания, что создает возможность за счет одновременного изменения количества воздуха и топлива поддерживать оптимальный режим работы двигателя в широком диапазоне изменения нагрузки (момента).
С целью повышения ресурса работоспособности радиальная лопатка 9, постоянно контактирующая с поверхностью ротора 1, снабжена поршнем 10, площадь которого рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить разгрузку лопатки от газовых усилий и обеспечить ее прижатие к поверхности ротора 1 только за счет пружины 12, действующей на поршень 10, перемещающегося в цилиндре 11, закрепленном на корпусе 5. Оптимальное усилие пружины 12 можно отрегулировать. Для восприятия усилия, возникающего от силы инерции лопатки 9 при ее подъеме под действием кулачка 2 ротора 1, предусмотрены два упора 13 с пружинами 14, причем после опускания лопатки 9 на ротор 1, усилие от пружины 14 не передаются на лопатку 9, так как между упорами 13 и лопаткой устанавливается гарантированный зазор 0,2…0,5 мм.
В период пуска двигателя нагрев сжатого воздуха после компрессора 39 происходит с помощью электронагревателя 42, установленного в ресивере 41, обеспечивающего также минимальное падение воздуха при заполнении объема камеры сгорания 15 или 16.
Как видно из описания конструкции и работы роторно-поршневого двигателя предлагаемые технические решения, а именно:
- организация воздушного уплотнения ротора в сочетании с процессом сгорания в двух попеременно работающих камерах сгорания с переменным геометрическим объемом позволяют поддерживать оптимальный состав топливовоздушной смеси в зависимости от конкретной нагрузки, обеспечить более полное сгорание топлива и, в конечном итоге, сохранить эффективность работы двигателя как в режиме холостого хода, так и в режиме максимальной нагрузки;
- разгрузка радиальной лопатки от газовых усилий, минимизация усилия контакта лопатки с ротором двигателя с использованием воздушной смазки обеспечивает существенное снижение износа трущихся деталей и увеличение срока работы двигателя.
Сравнение существенных признаков предложенного технического решения с известными решениями дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».