РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОНСТРУКЦИИ ЭЧКЕНКО

Предлагаемая полезная модель роторного двигателя относится к области энергетического машиностроения и может быть использована во многих областях техники в качестве паровых, газовых, пневматических машин вращения объемного действия, а также двигателей с внешним или внутренним сгоранием.
Известны конструкции роторных машин и двигателей основанные на применении роторно-поршневых, роторно-лопаточных, роторно-пластинчатых и других вращающихся элементов ротора в полом корпусе двигателя, например двигатель Ванкеля, Вигриянова, Гридина, Дротенко, Романова, Залыгина и других авторов.
Общими недостатками известных конструкций роторных машин и двигателей являются большие площади взаимного механического трения между вращающимися поверхностями элементов ротора и внутренней поверхностью корпуса двигателя, что вызывает повышенный механический износ сопрягающихся поверхностей и приводит к ухудшению компрессии, уменьшению рабочего ресурса и потере рабочих характеристик. Кроме того, в известных конструкциях существуют трудности по обеспечению герметичности в узлах подшипников крепления вала ротора, особенно при применении подшипников качения, а также технологические трудности, связанные с изготовлением поверхностей в виде "эпитрохоиды" или "серповидных" поверхностей сопрягающихся деталей.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является "Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания", авт. Дротенко П.Н., патент RU №2294444.
Недостатком аналога, является то, что, несмотря на высокие требования по высокоточному изготовлению деталей ротора и цилиндра корпуса, а также применение твердосплавных или напыленных материалов, конструкция имеет большие площади механического трения сопрягающихся деталей, что ведет к их быстрому механическое износу и, соответственно, к потере компрессии рабочей камеры. Кроме того, аналог имеет детали "серповидной" формы и усеченный цилиндр корпуса, что усложняет технологию их изготовления.
Целью предлагаемой полезной модели роторного двигателя, является уменьшение коэффициента механического трения между поверхностью деталей ротора и цилиндром корпуса двигателя, улучшение герметичности рабочей камеры, в том числе в узлах подшипников крепления вала ротора, а также общее упрощение конструкции двигателя, технологии изготовления и ремонта:
Указанная цель достигается тем, что роторный двигатель, содержащий корпус с внутренней цилиндрической расточкой, боковые крышки с подшипниками качения, в которых вращается вал ротора, окна подвода и отвода рабочей среды, отличается тем, что на валу ротора жестко закреплены защитный диск и стакан с дном, во внутренней полости которого закреплена спиральная лопасть, причем в корпусе стакана имеются сквозные пазы для выхода отработанной среды, а на внешних цилиндрических поверхностях диска и стакана в соответствующих канавках установлены компрессионные кольца. В камере сгорания установлены форсунка впрыска топлива, калильная свеча и электроискровая свеча, причем впрыск топлива осуществляется электроуправляемым инжектором, сигнал управления на который поступает с датчика оборотов вращения вала ротора, через счетчик-делитель частоты импульсов и формирователь импульсов.
Конструкцию предлагаемого роторного двигателя поясняют чертежи фиг.1, 2, где на фиг.1 показан двигатель в режиме внешнего подвода рабочей среды (рабочего тела), а на фиг.2 в режиме внутреннего сгорания. На чертежах фиг.1, 2, условно не показаны общеизвестные элементы (болты, гайки, шпильки, прокладки, шайбы и т.п.) необходимые для создания рабочей конструкции, а также внешние системы генерации и выхлопа рабочей среды.
Конструкция двигателя состоит из следующих узлов и элементов: корпус 1 двигателя, боковая крышка 2, подшипник 3 качения, вал 4 ротора, защитный диск 5, компрессионные кольца 6, технологический люк 7, патрубок 8 входного окна, сквозные стакан 9 цилиндрической формы с дном, лопасть 10 спиральной формы, патрубок 11 выходного окна, сквозные пазы 12, компрессионные кольца 13, рабочая камера 14 (камера сгорания), калильная свеча 15, нагревательный элемент 16, свеча 17 электроискрового зажигания, инжектор 18 электроуправляемый, канал 19 топливопровода, электроаккумулятор 20, высоковольтный генератор 21, датчик 22 оборотов, магнит 23, счетчик-делитель 24 частоты импульсов, формирователь 25 импульсов.
Элементы конструкции взаимодействуют следующим образом. Корпус 1 двигателя имеет сквозную цилиндрическую расточку и съемную боковую крышку 2 с подшипником 3, а также аналогичную крышку и упорный подшипник с другой стороны корпуса, в которых свободно вращается вал 4 ротора. На валу 4 ротора жестко закреплены: защитный диск 5, цилиндрический стакан 9, в полости которого жестко закреплена спиральная лопасть 10. На внешних цилиндрических поверхностях диска 5 и стакана 9 в соответствующих канавках (проточках) установлены съемные компрессион-кольца 6 и 13, широко применяемые в поршневых двигателях. Защитный диск 5 с компрессионными кольцами 6 и стакан 9 с компрессионными кольцами 13, образуют замкнутый объем вращающейся камеры 14 сгорания, где компрессионные кольца обеспечивают герметичность камеры и предотвращают утечку рабочей среды через подшипники 3. На внешней поверхности корпуса 1 установлен съемный люк 7, предназначенный для доступа в рабочую камеру 14 и крепления патрубка 8, а также установки элементов зажиния(см. фиг.2).
Двигатель работает следующим образом (см. фиг.1). Рабочая среда высокого давления, например пар, газ, воздух, через входное окно 8 поступает в камеру 14 (движение среды условно показано стрелками) и, обладая высокой кинетической энергией, осуществляет давление на рабочую поверхность спиральной лопасти 10, в результате чего происходит ее радиальное вращение и, соответственно, вращение вала 4 ротора. Выход отработанной среды из полости стакана 9, осуществляется через сквозные пазы 12 в корпусе стакана 9 и далее через выходное окно 11 во внешнюю среду.
Внешние поверхности диска 5 и стакана 9 имеют механический зазор относительно внутренней поверхности цилиндра корпуса 1 и лишь соприкасаются внешними поверхностями компрессионных колец 6 и 13, что обеспечивает минимальный коэффициент трения, высокую степень герметичности камеры 14 и защиту от протечки через подшипники 3, что обеспечивает высокий ресурс работы двигателя. Профилактика и ремонт двигателя сводятся к периодической замене компрессионных колец 6 и 13.
Для работы двигателя в режиме внутреннего сгорания в конструкцию введены дополнительные элементы (см. фиг.2). На съемном люке 7 закреплены калильная свеча 15 с нагревательным элементом 16, для создания высокой температыры в камере 14 сгорания, свеча 17 электроискрового зажигания и канал 19 топливопровода с Форсункой распыления. Исходная топливная смесь с помощью электроуправляемого инжектора 18 и канала 19 впрыскивается в камеру 14 сгорания на поверхность нагревательного элемента 16 и переходит в парообразное состояние. Свеча 17 электроискрового зажигания, работающая в непрерывном режиме, осуществляет зажигание парообразного топлива, в результате происходит объемное расширение рабочей среды и давление на рабочую поверхность спиральной лопасти 10, которая приходит во вращение передаваемое на вал 4 ротора двигателя. По мере порционного впрыска топлива и его сгорания происходит процесс непрерывного вращения вала 4 двигателя. Отработанная среда через пазы 12 и выходное окно 11 выводится из корпуса 1 двигателя во внешнюю среду, т.е. происходит "выхлоп" отработанной среды.
Синхронизация процесса впрыска топлива осуществляется следующим образом. С помощью аккумулятора 20 через калильную свечу 15, осуществляется постоянное электропитание нагревательного элемента 16. Электроискровая свеча 17 постоянно вырабатывает искровые разряды с помощью электронного высоковольтного генератора 21. Принудительный впрыск топлива осуществляется с помощью сигналов с датчика 22 оборотов вала 4. Для возбуждения датчика выполненного, например, на основе датчика Холла, на валу 4 закреплен магнитный элемент 23. Таким образом при каждом обороте вала 4 на выходе датчика 22 формируются импульсы, поступающие на вход счетчика-делителя 24 частоты импульсов. Переключением коэффициента деления частоты импульсов вращения осуществляется управление частотой впрыска топлива через один, два, три и т.д. оборотов вращения вала 4, что позволяет в широком диапазоне управлять скоростью вращения, а также регулировать и подбирать оптимальные режимы сгорания топливной смеси в камере 14. Импульсы с выхода делителя 24 частоты импульсов поступают на вход регулируемого формирователя 25 импульсов, где регулировкой длительности импульсов упраления инжектором 18 осуществляется дозировка топлива, поступающего в камеру 14 сгорания.
Начальный запуск двигателя осуществляется подачей электрического сигнала, например с помощью кнопки (не показана), на управляющий контакт инжектора 18, при этом происходит впрыск и возгорание топлива обеспечивающие начальное вращение ротора и появление импульсов на выходе датчика 22, и далее процесс непрерывно повторяется. Остановка двигателя осуществляется отключением сигналов управления с инжектора 18.
Предлагаемый принцип запуска двигателя не требует применения внешнего стартера, что упрощает конструкцию двигателя и делает его более надежным при эксплуатации.
Конструкция нагревательного элемента 16 может иметь различную конфигурацию выполненную например, в виде кольца в полости цилиндра корпуса 1 и иметь несколько свечей зажигания, расположенных по окружности корпуса, для осуществления эффективного возгарания и полного сгорания топливной смеси.
В конструкции двигателя может быть применен второй инжектор для впрыска в камеру 14 другого вида топлива или стимулирующих добавок улучшающих возгарание или экономию расхода топлива.
При необходимости осуществления режима импульсного возгарания топливной смеси необходимо, работу высоковольтного генератора 21 перевести в режим внешней синхронизации с помощью импульсов с выхода счетчика-делителя 24 частоты импульсов.
При необходимости поддержания определенного соотношения между давлением в камере 4 сгорания и внешним атмосферным давлением в выходном окне 11, может быть применен режим "управляемого выхлопа" для чего, выходное окно 11 может быть конструктивно выполнено например, на основе электромагнитного клапана управляемого импульсами с выхода счетчика-делителя 24 частоты импульсов.
Конструкция двигателя может иметь различные массогариты и соответственно различную мощность и скорость вращения.
В предлагаемой конструкции двигателя отсутствуют узлы и элементы которые могут вызвать механическое заклинивание вращения вала ротора, что делает его надежным в эксплуатации.
При необходимости увеличения мощности и надежности, может применяться последовательное механическое соединение валов нескольких двигателей.
В процессе изготовления узлов и элементов двигателя, отсутствуют операции по механической "притирке" сопрягающихся поверхностей, что делает конструкцию технологичной в производстве и обеспечивает полную взаимозаменяемость узлов.
Предлагаемая конструкция двигателя имеет малое количество входящих узлов и деталей, технологична при массовом производстве, имеет хорошие показатели по рабочему ресурсу, надежности, унификации и ремонтопригодности.
Предлагаемая конструкция двигателя может быть широко применена во многих областях техники, например в гибридных автомобилях для вращения электрогенераторов подзарядки аккумуляторов, в конструкциях малогабаритных инструментов и т.п.