ДИЗЕЛЬНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY DIESEL ICE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться в качестве механического привода транспортных средств.
Известен роторно-поршневой двигатель (РПД) Ванкеля (см. Ханин Н.С. "Автомобильные роторно-поршневые двигатели", М., Машгиз, 1964), в котором трехгранный ротор размещается в эпитрохоидной расточке корпуса, снабжен зубчатым венцом внутреннего зацепления и расположен на эксцентриковом валу с кинематической связью венца ротора с неподвижной шестерней, расположенной на корпусе двигателя. При соотношении зубьев шестерня-венец, равном 2:3, ротор, обкатываясь по неподвижной шестерне, совершает планетарное движение в пространстве, вращаясь вокруг оси двигателя и одновременно вокруг собственной оси. Мощность снимается с эксцентрикового вала, который вращается синхронно с ротором относительно оси двигателя.
Недостатком этого роторно-поршневого двигателя является небольшая степень сжатия заряда топливовоздушной смеси, что исключает перевод роторного двигателя в полноценный дизельный двигатель.
Аналогом изобретения является роторно-поршневой двигатель (патент РФ №2166110, F02B 53/00, 1999.03.05), содержащий корпус с эпитрохоидной расточкой, установленные в расточке с возможностью планетарного движения два ротора с перегородкой между ними, на перегородке выполнены неподвижные шестерни и внутренняя воздушная полость ресивера, роторы оборудованы зубчатыми колесами, кинематически связанными с зубчатыми венцами, закрепленными на общем для роторов цилиндрическом валу двигателя. В роторах могут быть выполнены отверстия и каналы, а в ресивере - окна для подачи сжатого воздуха в ресивер от ротора, выполняющего функцию компрессора, и окно для подачи сжатого воздуха в полость всасывания двигателя после окончания такта всасывания.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, низкая технологичность конструкции из-за наличия внутренних полостей и расположения в них сборных элементов, сложность организации внутрикамерных процессов сгорания при работе с различными сортами моторного топлива. Получаемая в двигателе степень сжатия заряда недостаточна для его самовоспламенения.
Частично указанных недостатков лишен многотопливный роторный двигатель, содержащий корпус (статор), внутри которого размещен трехгранный ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка, за которой установлен плазменный конвертор топлива (патент РФ №2334883, МПК F02B 55/16, МГЖ F02M 27/04, приоритет от 17.01.2007 г.).
Однако известный роторный двигатель имеет невысокую степень сжатия.
Ближайшим аналогом изобретения является дизельный роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с эпитрохоидной расточкой, установленные в расточке два ротора с возможностью планетарного движения с перегородкой между ними, являющиеся соответственно ротором компрессора и ротором двигателя, выполненный в перегородке канал, соединяющий компрессор и двигатель (патент RU 2212550 С2, F02B 53/08, 2003).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени сжатия, увеличение КПД, повышение агрегатной мощности двигателя, снижение уровня токсических веществ в выхлопных газах, повышение надежности работы и улучшение технологичности конструкции, увеличение моторесурса и экологической чистоты двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что в роторном дизельном двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с эпитрохоидной расточкой, установленные в расточке с возможностью планетарного движения два трехгранных ротора с перегородкой между ними, являющиеся соответственно ротором компрессора и ротором двигателя и синхронно вращающихся в одном направлении. Роторы размещены с возможностью вращения на эксцентричных втулках, установленных на валу. В перегородке выполнен канал, соединяющий в компрессоре полость нагнетания, а в двигателе - полость после окончания такта всасывания, что позволяет создать такие условия самовоспламенения (высокое давление и температуру), какие характерны для протекания рабочего процесса в камере сгорания поршневого дизеля.
Синхронно с ротором двигателя, с опережением на угол в диапазоне 45…60 градусов относительно оси двигателя, движется ротор компрессора. Частота вращения ротора компрессора превышает частоту вращения ротора двигателя в два раза, что обеспечивает заданное повышение степени сжатия в дизельном роторном двигателе. Эксцентриковые шейки вала для размещения ротора компрессора и ротора двигателя развернуты относительно друг друга на угол в диапазоне 45…60 градусов. Возникающий при этом незначительный момент центробежных сил уравновешивается противовесами на концах вала.
Для улучшения процесса горения выполняется контур ротора двигателя не по дугам окружностей, а по внутренней огибающей эпитрохоид, что позволяет сконцентрировать большую часть заряда в выемке ротора и свести до минимума объем, заключенный между ротором и эпитрохоидной поверхностью корпуса, максимально повышая степень сжатия заряда. Профилирование граней ротора для обеспечения достаточной степени сжатия проводится также по внутренней огибающей эпитрохоид.
По мере увеличения числа оборотов двигателя, а следовательно, и скорости поступающего воздуха из компрессора обеспечивается нужная степень дробления топлива и перемешивание его с воздухом.
К существенным отличиям заявленного решения от известного изобретения относится то, что синхронно с ротором двигателя, с опережением на угол в диапазоне 45…60 градусов относительно оси двигателя, движется ротор компрессора. Частота вращения ротора компрессора превышает частоту вращения ротора двигателя в два раза, что обеспечивает необходимое повышение степени сжатия в дизельном роторном двигателе ввиду того, что угловые скорости ротора компрессора и ротора двигателя различаются в два раза, видим, что в компрессоре происходит вдвое больше рабочих тактов. Благодаря этому компрессор работает равномерно, без больших пульсаций.
В перегородке между роторной секцией и компрессорной секцией выполнен канал, соединяющий в компрессоре полость нагнетания, а в двигателе - полость после окончания такта всасывания. Перепускные отверстия, соединяющие полость компрессора и полость двигателя, выполнены так, что выпускное отверстие компрессора выполнено за 20…25° до достижения максимальной степени сжатия воздуха роторным компрессором, а впускное отверстие в полости сжатия двигателя выполнено на углу 20…25° после окончания такта всасывания двигателя.
На корпусе роторного двигателя для впрыска топлива установлены две топливные форсунки, первая форсунка (по ходу вращения ротора) предназначена для впрыска топливного заряда (любого топлива) на активной стадии сжатия, вторая форсунка (для дизельного топлива) предназначена для запуска и обеспечения работы роторного двигателя на холостом ходу.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям новизны.
Предлагаемый вариант реализации заявленного изобретения "Дизельный роторный двигатель внутреннего сгорания" изображен на фиг.1.
Двигатель содержит корпус 1 с эпитрохоидной расточкой, перегородку 2 с выполненным каналом 3, соединяющим полость компрессора и полость двигателя так, что выпускное отверстие 4 компрессора выполнено за 20…25 градусов до достижения максимальной степени сжатия воздуха роторным компрессором на такте сжатия, а впускное отверстие 5 в полости сжатия двигателя выполнено на углу 20…25 градусов после окончания такта всасывания двигателя. В связи с происходящим при этом уменьшением суммарного объема происходило предварительное сжатие воздуха.
Регулирование подачи сжатого воздуха из компрессора в полость сжатия двигателя может производиться клапаном или золотником. В корпусе установлены два ротора 6 и 7, являющиеся соответственно ротором 6 компрессора и ротором 7 двигателя, разделенными перегородкой 2. Роторы 6 и 7 выполнены трехгранными с вершинами А, В, С.
В качестве золотников могут использоваться ротор 6 компрессора и ротор 7 двигателя, с имеющимися отверстиями 4, 5 в торцевых стенках компрессора и двигателя, совмещающиеся при их движении с отверстиями в торцевых стенках, изготавливаемыми в корпусе 1 двигателя, к которым подводится нагнетательная полость компрессора. Перетекание воздуха из компрессора в полость сжатия двигателя происходит до того момента, пока грань ротора 6 не перекроет перепускной канал.
Ротор 6 компрессора вращается с опережением на угол в диапазоне 45…60 градусов относительно оси двигателя, ротора 7 двигателя, что обеспечивает гарантированный наддув полости сжатия двигателя, повышая степень сжатия двигателя до ε=30. Это обеспечивает достаточную степень сжатия роторного двигателя, работающего с воспламенением от сжатия. Если степень сжатия при выбранных параметрах оказывается слишком высокой, она может быть понижена за счет выемок в боковых гранях ротора. Частота вращения ротора 6 компрессора превышает частоту вращения ротора 7 двигателя в два раза, что обеспечивает заданное повышение степени сжатия в дизельном роторном двигателе. Полагая, что угловые скорости ротора 6 компрессора и ротора 7 двигателя различаются в два раза, видим, что в компрессоре происходит вдвое больше рабочих тактов. Благодаря этому компрессор работает более равномерно, без больших пульсаций. Из вышесказанного следует, что в процессе фазы активного горения будет задействовано максимальное количество воздуха.
Дизельный роторный двигатель работает следующим образом (в соответствии с фиг.2, 3, 4).
При вращении ротора 6 компрессора по часовой стрелке (фиг.1, фиг.2) в секторе всасывания происходит разрежение и воздух через впускной патрубок 8 поступает в сектор всасывания, далее начинается процесс сжатия воздуха.
Сжатие воздуха происходит в полости II после перекрытия вершиной А ротора 6 впускного патрубка 8 и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия занимает участок корпуса двигателя, равный 80 градусам поворота ротора. Процесс нагнетания воздуха ротором 6 компрессора через отверстие 5 в роторный двигатель, по выполненному каналу, заканчивается за 20…25 градусов до достижения максимального давления в процессе сжатия, обеспечивая поступление воздуха под давлением в полость I сжатия двигателя (фиг.1, фиг.3). В полости I сжатия роторного двигателя впускное отверстие 5 выполнено на углу 20…25 градусов после начала такта сжатия двигателя. Ротор 7 двигателя дожимает полученную смесь до необходимой степени сжатия, при этом общая степень сжатия воздуха в камере III сгорания двигателя, отнесенная к обеим полостям, составляет около 30 (фиг.4).
Таким образом, при подходе ротора 7 к верхней мертвой точке достигается максимальная степень сжатия топливовоздушной смеси, что обеспечивает самовоспламенение топливного заряда.
Роторный двигатель заполняется воздухом через соответствующий входной патрубок 9. Движение роторов 6 и 7 происходит со сдвигом по фазе - ротор 6 компрессора опережает ротор 7 двигателя на 45…60 градусов угла поворота коленчатого вала, что достигается соответствующим расположением роторов 6, 7 на коленчатом валу.
Роторный двигатель имеет камеру III сгорания, объем которой, включая и объем соединительного канала, обеспечивает степень сжатия и может достигать 30. Компрессор камеры сгорания не имеет и при подходе в нем ротора 6 за 20…25 градусов до верхней мертвой точки почти весь воздушный заряд вытесняется в полость I сжатия двигателя. Степень сжатия воздуха в компрессоре достигает 8,5. Общая степень сжатия, отнесенная к обоим объемам, с учетом возможных потерь на перетекание газа из полости II в полость I, может достигать 30.
Общая степень сжатия определяется выражением:
0
К
Д
ε=ε ε,
К
где ε - степень сжатия в компрессоре;
Д
ε - степень сжатия роторного двигателя.
За 5…7 градусов до достижения гранями ротора 7 единой для них верхней мертвой точки (в.м.т.) происходит впрыск топлива первой топливной форсункой 11, установленной по ходу вращения ротора 7 (фиг.3). Эта форсунка 11 предназначена для впрыска топливного заряда (любого топлива) на активной стадии уменьшения рабочего объема двигателя, она перекрывает весь мощностной диапазон, за исключением холостого хода двигателя. Подготовленная к самовоспламенению топливо-воздушная смесь воспламеняется при повышении степени сжатия в камере сгорания роторного двигателя. Дополнительное преимущество данного дизельного роторного двигателя состоит в практически полном отсутствии в нем детонации, что связано с интенсивной турбулизацией горящей смеси при наличии высокой ее кинетической неоднородности. Вторая форсунка 12 (для дизельного топлива) предназначена для запуска и обеспечения работы дизельного роторного двигателя на холостом ходу, а также поддержания в заданных пределах необходимых условий нагрузочной и скоростной характеристик двигателя.
Сгорание топлива происходит наиболее полно, т.к. при этом обеспечивается необходимое время для его полного сгорания и необходимый коэффициент избытка воздуха. Это приводит к снижению уровня токсических веществ в выхлопных газов, истекающих через выходной патрубок 10, повышает надежность работы, увеличивает моторесурс и экологическую чистоту двигателя.
Осуществление наддува в дизельном роторном двигателе упрощает конструкцию двигателя, удешевляет его изготовление и эксплуатацию, а также повышает надежность и долговечность, существенно улучшает удельные весогабаритные и мощностные показатели двигателя в целом.