РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в транспортной и других отраслях техники.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ № 2416031, МПК F02В 53/08, опубл. 10.04.2011 г.), принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий корпус, боковые крышки, полый ротор с радиальной лопастью, камеру сгорания, камеру подпрессовки, разделительные пластины и впускное и выпускное отверстия.
Камера сгорания и камера подпрессовки расположены вне полости корпуса. Камера подпрессовки связана с камерой сгорания через перепускной клапан. Ротор выполнен с кольцевыми ребордами, делящими внутреннюю цилиндрическую полость корпуса на секцию топливной смеси и рабочую секцию. Секция топливной смеси разделена радиальной лопастью ротора на объемы всасывания и сжатия. Рабочая секция разделена радиальной лопастью на объем расширения и объем выпуска. Одна разделительная пластина установлена в камере сгорания, а вторая - в камере подпрессовки.
Разделительные пластины выполнены в виде поршней. Поверхность каждой разделительной пластины-поршня, находящейся в постоянном контакте с ротором под действием избыточного давления в камерах, профилирована для обеспечения подъема и опускания пластины-поршня при прохождении радиальной лопасти без потери контакта с ее поверхностью. Впускное отверстие выполнено в пластине-поршне, выполненной в камере подпрессовки, а выпускное отверстие выполнено в пластине-поршне, расположенной в камере сгорания. В теле каждой пластины-поршня выполнен дополнительный канал, посредством которого камера сгорания сообщается с объемом расширения, а полость сжатия - с объемом подпрессовки, причем последний канал оборудован обратным клапаном.
К недостаткам роторного двигателя относятся:
- низкое давление сжатия горючей смеси в момент ее зажигания и малая степень расширения продуктов сгорания, снижающие полезную работу двигателя, термический КПД преобразования тепла в механическую работу и повышающие удельный расход топлива;
- наличие впускных и выпускных каналов в перемещающихся разделительных пластинах, требующих наличия уплотнений для них, что усложняет конструкцию роторного двигателя внутреннего сгорания.
Изобретение решает задачу снижения удельного расхода топлива за счет обеспечения возможности предварительного повышения сжатия горючей смеси и регулирования ее подачи в камеру сгорания, а также упрощения конструкции двигателя за счет изменения места расположения впускного и выпускного каналов.
Для получения необходимого технического результата в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с объемом цилиндрической формы, ограниченной с торцов боковыми крышками, установленный в объеме корпуса полый ротор, выполненный с радиальной лопастью, ориентированной вдоль его оси вращения, совпадающей с продольной осью корпуса, и кольцевыми ребордами, которые делят внутренний объем корпуса на секцию горючей смеси, разделенную радиальной лопастью ротора и разделительной пластиной на объем всасывания и сжатия, и рабочую секцию, разделенную радиальной лопастью и разделительной пластиной на объем расширения и объем выпуска, камеру сжатой горючей смеси и камеру сгорания, расположенные вне объема корпуса и сообщающиеся посредством перепускного устройства, впускной и выпускной каналы, предлагается перепускное устройство выполнить управляемым так, чтобы перепускное устройство открывалось, когда радиальная лопасть еще не вышла за пределы устья выходного канала, что обеспечивает продувку горючей смесью камеры сгорания, а закрытие перепускного устройства происходило, когда радиальная лопасть выходит за пределы устья выходного канала.
На прилагаемых к описанию графических материалах изображено:
фиг.1 - секционный роторный двигатель внутреннего сгорания;
фиг.2 - уплотнения секционного роторного двигателя внутреннего сгорания;
фиг.3 - график зависимости относительного давления горючей смеси в камере сгорания Pсм/[Pсм] от относительного объема Vсм/Vкс;
фиг.4 - основные процессы рабочего цикла предлагаемого секционного роторного двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения:
1 - ротор;
2 - корпус;
3 - крышка;
4 - камера сжатой горючей смеси;
5 - управляемое перепускное устройство;
6 - камера сгорания;
7 - поршневое кольцо;
8 - объем расширения рабочей секции;
9 - канал впуска горючей смеси;
10 - канал выпуска отработавших газов;
11 - разделительная пластина секции горючей смеси;
12 - разделительная пластина рабочей секции;
13 - секция горючей смеси;
14 - радиальная лопасть на роторе секции горючей смеси;
15 - рабочая секция;
16 - радиальная лопасть на роторе рабочей секции;
17 - объем всасывания секции горючей смеси;
18 - объем сжатия секции горючей смеси;
19 - шпонка уплотнительная;
20 - объем выпуска отработавших газов рабочей секции;
21 - обратный клапан;
22 - канал перепускной;
23 - устройство зажигания;
24 - устье канала выходного;
25 - привод управляемого перепускного устройства, например кулачок или иное управляющее средство.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:
Pсм - остаточное давление в камере 4 сжатой горючей смеси.
[Pсм] - максимально допустимое давление сжатой горючей смеси;
Vсм - объем камеры сжатой горючей смеси;
Vкс - объем камеры сгорания.
На фиг.4 приняты следующие обозначения.
Секция горючей смеси:
а-к - сжатие горючей смеси в объеме 18 сжатия секции горючей смеси;
∑
к-с - сжатие горючей смеси в суммарном объеме V, равном объему 18 сжатия секции горючей смеси и камеры 4 сжатой горючей смеси;
∑
c-d - изобарный процесс в объеме V до открытия управляемого перепускного устройства 5;
d-e - процесс истечения горючей смеси из камеры 4 сжатой горючей смеси в камеру 6 сгорания;
е-к - изобарный процесс в объеме 18 сжатия секции горючей смеси;
Д
Р - давление, при котором возникает детонация в камере 4 горючей смеси;
[Pсм] - максимально допустимое давление сжатой горючей смеси;
Pсм - остаточное давление в камере 4 сжатой горючей смеси.
Рабочая секция:
f-g - наполнение камеры 6 сгорания горючей смесью;
g-h - расширение горючей смеси после закрытия управляемого перепускного устройства 5;
h-z - процесс сгорания горючей смеси;
z-b - процесс расширения продуктов сгорания в рабочей секции 15;
2
1
V/V - степень расширения продуктов сгорания в рабочей секции 15.
1
2
(V - суммарный объем камеры 6 сгорания Vкс и объема 8 расширения рабочей секции в момент поджигания горючей смеси; V то же в конце расширения продуктов сгорания).
Предлагаемый секционный роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 2 с объемом цилиндрической формы. В объеме корпуса 2 установлен на двух радиально опорных подшипниках ротор 1. Кольцевые реборды делят поверхность ротора по длине на два участка и создают во внутреннем цилиндрическом объеме корпуса две секции: секцию горючей смеси 13 (бензино-воздушную или горючего газа и воздуха) и рабочую секцию 15. Ротор является общим для 2-х секций, выполнен полым и с радиальными лопастями 14, 16 на внешней поверхности, расположенными соответственно в каждой секции, ориентированными вдоль оси вращения ротора. Ось вращения ротора 1 совмещена с продольной осью корпуса 2. Радиальная лопасть 14 делит секцию горючей смеси 13 на объем 17 всасывания и объем 18 сжатия. Рабочая секция 15 разделена радиальной лопастью 16 на объем расширения 8 и объем выпуска 20. Для обеспечения герметичности секций и объемов двигателя, реборды выполнены с канавками, в которых установлены поршневые кольца 7. На верхней цилиндрической поверхности радиальных лопастей 14, 16 выполнены пазы, в которых установлены уплотнительные шпонки 19.
Камера сжатой горючей смеси 4 и камера сгорания 6 расположены вне корпуса. Для обеспечения технологичности конструкции и упрощения сборки двигателя камеры сформированы из двух частей. Нижняя часть камер образована корпусом 2, а верхняя часть камер - крышкой 3. В крышке 3 расположена камера сжатой горючей смеси 4 и камера сгорания 6. Они сообщаются посредством канала 22 и управляемого перепускного устройства 5, в качестве которого, например, может быть использован, аналогичный по выполняемой функции управляемый впускной газораспределительный клапан дизеля. Управляемое перепускное устройство 5 открывается, когда радиальная лопасть 16 еще не вышла за пределы устья канала 24, что обеспечивает продувку горючей смесью камеры сгорания 6 и увеличение массы горючей смеси в камере 6 сгорания.
2
1
Закрытие управляемого перепускного устройства 5 происходит, когда радиальная лопасть 16 по углу поворота ротора выходит за пределы устья канала 24 на 5-40°. Поджигание горючей смеси осуществляется известными устройствами и происходит после герметизации объема расширения рабочей секции 8 и закрытия управляемого перепускного устройства 5. Это обеспечивает максимальную степень расширения (V/V) продуктов сгорания во всем объеме расширения 8, максимальный термический КПД секционного роторного двигателя (см. Фиг.4).
Разделительные пластины 11, 12 выполняют уплотнительные функции. Их рабочие поверхности находятся в постоянном контакте с ротором 1. Верхние части разделительных пластин 11 и 12 выполнены с канавками, в которых установлены цилиндрические уплотнительные кольца, а боковые части их оснащены плоскими уплотнительными шпонками.
Секция горючей смеси 13 делится разделительной пластиной 11 и радиальной лопастью 14 на роторе 1, на два переменных объема: объем всасывания 17 и объем сжатия 18.
Рабочая секция 15 разделена пластиной 12 и радиальной лопастью ротора 16 на объем расширения рабочей секции 8 и объем выпуска рабочей секции 20.
При вращении ротора 1 по часовой стрелке, в секции горючей смеси 13 между радиальной лопастью 14 ротора 1 и разделительной пластиной 11 создается разрежение, засасывающее горючую смесь из устройства смесеобразования (не показано). После перехода радиальной лопасти 14 ротора 1 через плавно поднимаемую им разделительную пластину 11 секции 13 горючей смеси, в объеме сжатия 18 секции горючей смеси 13 происходит сжатие смеси до максимальных значений [Рсм], но исключающих самовоспламенение и детонацию, а в объеме всасывания 17 секции горючей смеси 13 одновременно происходит всасывание смеси для следующего цикла.
Сжатая в объеме сжатия 18 топливная смесь, через обратный клапан 21 попадает в камеру сжатой горючей смеси 4. По каналу 22 горючая смесь подводится к управляемому перепускному устройству 5.
Поступившая через управляемое перепускное устройство 5 в камеру сгорания 6 и объем расширения 8 рабочей секции 15 горючая смесь поджигается в устройстве зажигания 23 известным способом, например искрой в свече зажигания, воспламеняется и сгорает. В результате выделения тепла происходит резкое повышение давления в камере сгорания 6 и в части сообщающегося с ней объема расширения 8 рабочей секции 15, воздействующее на радиальную лопасть 16 ротора 1, при вращении которого совершается полезная работа.
Отработавшие в рабочем цикле газы вытесняются тыльной частью радиальной лопасти 16 в атмосферу, через канал 10 в корпусе 2. Секционный роторный двигатель предлагаемой конструкции не имеет частей, совершающих возвратно поступательные движения. Исключение составляют клапаны и разделительные пластины 11 и 12.
Предлагаемая конструкция секционного роторного двигателя внутреннего сгорания, как показали расчеты, позволяет сократить, как минимум на 5-7% удельный расход топлива по сравнению с конструкцией двигателя, описанной в ближайшем аналоге, за счет обеспечения более совершенного рабочего цикла и упрощения конструкции.
В предлагаемом изобретении, с целью снижения удельного расхода топлива, давление сжатой горючей смеси в камере сгорания обеспечивают на уровне, близком к максимально допустимым значениям. Верхний предел сжатия бензино-воздушной горючей смеси ограничивается уровнем, при котором происходит ее детонация в камере горючей смеси Vсж, что недопустимо. Уровень давления и температур сжатия, при превышении которых появляется детонационное горение, достигается, как известно, при степени сжатия ≈15. Это дает возможность по известным термодинамическим зависимостям оценить максимально допустимое значение сжатия горючей смеси [Рсм] в камере горючей смеси, исключающей детонацию. Для обеспечения максимально допустимого давления сжатой горючей смеси [Рсм], ее объем Vс должен превышать объем камеры сгорания Vкс.
Расчетным путем установлено, что относительная величина давления сжатой горючей смеси в камере сгорания Pсж/[Pсм] является однозначной функцией относительной величины (Vсм/Vкс):
Pсм/[Pсж]=f(Vсм/Vкс)
Эта зависимость изображена на фиг.3. Она позволяет оценить величину давления сжатой горючей смеси Рсм в камере сгорания при выбранных объемах камер Vсм и Vкс. Так, при (Vсм/Vкс)=9.3, давление в камере сгорания составит Pсм≈0,9/[Pсм], что определяет оптимальное соотношение объемов не вызывая детонации и не понижая эффективности двигателя.
Как видно из представленной на фиг.3 зависимости, оптимальная относительная величина (Vсм/Vкс), обеспечивающая получение максимальной величины относительного давления сжатой горючей смеси в камере сгорания (Pсж/[Pсм]), а следовательно и снижения удельного расхода топлива, находится в диапазоне 9-9,5. Эта величина должна быть меньше 10 (чтобы избежать детонации топлива) и не менее 9 (чтобы не увеличивать расход топлива).
Важно отметить, что давление Рсм и объем Vкс определяют массу горючей смеси, а следовательно работу и мощность рабочей секции секционного роторного двигателя.
Наличие между объемами Vсм и Vкс управляющего перепускного устройства позволяет обеспечить путем закрытия перепускного устройства, после заполнения объема Vкс горючей смесью, минимальную величину объема V1 и максимальную степень расширения продуктов сгорания (V2/V1) в рабочей секции(см фиг.4). В свою очередь, с ростом степени расширения V2/V1 увеличивается положительная работа продуктов сгорания, возрастает термический КПД и снижается удельный расход топлива.
После наполнения камеры сгорания горючей смесью закрывается управляемое перепускное устройство и осуществляется зажигание горючей смеси. В рабочем объеме резко возрастает давление, расширяющиеся продукты сгорания создают вращающий момент, совершая полезную работу и обеспечивая мощность секционного роторного двигателя.
Таким образом, предлагаемое изобретение решает задачу снижения удельного расхода топлива секционного роторного двигателя за счет наполнения камеры сгорания горючей смесью с максимально допустимым давлением, введения между Vсж и Vкс управляющего перепускного устройства, обеспечивающего максимальные степень расширения и работу расширения продуктов сгорания в рабочей секции, повышение термического КПД рабочего цикла. Упрощение конструкции секционного роторного двигателя выполняется путем размещения впускных и выпускных каналов в корпусе секционного роторного двигателя.
Компенсация неуравновешенных центробежных сил, возникающих от наличия на роторе радиальных лопастей, достигается известным способом их уравновешивания.
Секционный роторный двигатель может состоять из нескольких секций горючей смеси и рабочих секций, одинакового или разного диаметра, что позволяет создавать различные типоразмерные ряды секционных роторных двигателей внутреннего сгорания.