Роторный двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: пустотелая перегородка, разделяющая секции, выполнена в виде двух конических шестерен большого и малого диаметра, соединенных охлаждающим оребрением изнутри, в виде лопаток центростремительного вентилятора. На шестерни напрессованы кольцевые сферические стенки подготовительной и рабочей секций ротора, оребренные снаружи для охлаждения, заканчивающиеся по торцам большими круглыми окнами, через которые охлаждаются торцевые, оребренные снаружи крышки ротора, зацепленные изнутри с коническими шестернями пустотелой перегородки. Между компресионными кольцами по периметру крышки подготовительной секции (компрессора) подведено дизтопливо, значительно улучшающее уплотнение камер, которое одновременно растирается на горячей кольцевой сферической стенке и размалывается в зацепление шестерен, при высоком давлении и температуре, при сжатии и центробежной сепарации от капелек, что значительно упрощает двигатель, и интенсивный турбулентности, при перепуске за клапаном, исключительно улучшающей и ускоряющей сгорание бедной рабочей смеси. Радиально направленный плоский газовый упор, расположенный на крышке ротора рабочей ступени, передает вращающий момент непосредственно на вал отбора мощности, а отверстие в крышке перед ним обеспечивает постоянное интенсивное охлаждение упора и внутренних деталей. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (в.с.), применяемым на транспорте и в стационарных энергетических установках.

Из патентной литературы известны роторные двигатели в.с. с разделенным термодинамическим циклом, с радиально направленными плоскими газовыми упорами, например, двигатель [1] в котором внутренние роторы вращаются неравномерно, и при больших массах возникают значительные знакопеременные нагрузки, ограничивающие обороты, а следовательно, и мощность двигателя. Увеличивается трение и износ.

Внутренние роторы и газовые упоры закрыты внутри (наглухо), не охлаждаются и перегреваются.

Объемы подготовительной и рабочей камер одинаковые, степень расширения газов меньше единицы, что снижает термический КПД двигателя. Глубокого расширения газов нет.

В роторном двигателе Рогус (Густава Ружицкого), испытанного в 1960 г. объем рабочей камеры ≈ в 2,5 раза больше объема подготовительной камеры, это глубокое расширение, что повышает термический КПД и делает его бесшумным, но он тоже не уравновешен, сложен и тоже перегревается [2] Наиболее близким техническим решением является роторный двигатель [3] принятый в качестве прототипа, состоящий из подготовительной и рабочей секций, разделенных пустотелой перегородкой и соединенных каналов со средствами регулирования газообмена, радиально направленных плоских газовых упоров, валов расположенных под тупым углом и кольцевых сферических стенок, выполненных в виде двух пар конических шестерен.

В предлагаемой конструкции все стенки камер, даже внутренние, оребрены и постоянно (не периодически) обдуваются холодным воздухом. Половина внутренних рабочих поверхностей камер, где невозможно оребрение, постоянно находится снаружи и постоянно обдувается непосредственно изнутри с неоребренной рабочей стороны. Это кольцевые сферические стенки. Постоянно охлаждаются оребренные конические гофрированные стенки (шестерни), а вентилятора нет. Ротор двигателя оребрен и вращается в улитке. Его охлаждающее оребрение одновременно является и крыльчаткой вентилятора, как и оребрение на крышках ротора.

Охлаждаются и подшипники ротора, расположенные в его торцовых больших окнах.

Смесеобразование без карбюратора, форсунки и топливного насоса высокого давления растиранием, размалыванием, распылением и испарением при интенсивнейшей центробежной сепарации, автоматическом изменении состава смеси и повторном распылении и испарении, при перепуске смеси и интенсивнейшей турбулентности позволяющей быстрое, полное и качественное сгорание бедной рабочей смеси, а специальных смесеобразующих устройств нет.

Расширение газов полное глубокое. Выхлоп бесшумен и безвреден. Двигатель полностью уравновешен, прост и легок.

На фиг.1 изображен роторный двигатель в.с. с разделенным термодинамическим циклом глубокого расширения, продольный вертикальный разрез; на фиг.2 продольный горизонтальный разрез; на фиг.3 внешний вид со стороны рабочей камеры с деталями выхлопного патрубка; на фиг.4, 5 и 6 схематический чертеж положений газового упора рабочей ступени через 90^о поворота ротора.

Ротор состоит из пустотелой перегородки, образуемой двумя коническими гофрированными (радиально) поверхностями 1 и 2 (коническими шестернями, с очень коротким коррегированным зубом) с тупыми углами при вершинах, основания которых соединены охлаждающими ребрами 3 (см. фиг.2), в виде крыльчатки центростремительного вентилятора.

На шестерню 1 меньшего диаметра, по периметру напрессована кольцевая сферическая, оребренная снаружи стенка 4 подготовительной ступени. Внешний торец ее заканчивается окном. Через это окно поступает холодный воздух на охлаждающие ребра крышки 9 подготовительной ступени, охлаждающий и корпус подшипника.

Шестерня 2 большего диаметра, на нее по периметру напрессована большая кольцевая сферическая оребренная стенка 5 рабочей ступени, торец которой образует окно большего диаметра, через которое поступает холодный воздух, на охлаждающие ребра крышки 10 рабочей ступени и корпус подшипника.

Обе кольцевые сферические стенки 4 и 5 снаружи оребрены винтовыми охлаждающими пластинами (см. фиг.1 и 2) и одновременно являются и крыльчаткой центробежного вентилятора, а половины их рабочих неоребренных поверхностей постоянно находятся снаружи и интенсивно охлаждаются непосредственно изнутри (см. фиг.2), что весьма существенно.

В вершины конических шестерен впрессованы сферические пустотелые наконечники 6, являющиеся концами оси ротора, а оси нет. В наконечнике компрессора, перед газовым упором 11, впрессована шпилечная, радиально направленная пружина 7. На внешнем конце ее напрессован и зачеканен перепускной клапан 8, закрывающий перепускной канал, выходящий в рабочую камеру, за газовым упором 12 (по вращению ротора), в радиальном направленном выступе 21, являющемся газовым упором на шестерне 2. Таким образом, перегородка (1, 2, 3) со стенками 4 и 5 и наконечниками 6 это единое целое ротор, ось которого наконечники 6, 19 впускное окно в шестерне 1, за отвечающей впадиной газового упора 11 (см. фиг.1), 23 выходное окно кольцевой сферической стенки 5, перед плоским газовым упором 12 (см. сечение 1-1 на фиг.1).

С шестерней 1 перегородки, внизу (см. фиг.1) зацеплены зубья конической шестерни крышки 9 компрессора. Ось 27 впрессована в крышку 9, находится в вертикальной плоскости и наклонена вниз.

С шестерней 2 зацеплены зубья крышки 10 рабочей ступени. Вал отбора мощности 24 впрессован в крышку 10, ось его в горизонтальной плоскости, где и зацеплены шестерни.

Эти зацепления являются неподвижными газовыми упорами.

Таким образом, благодаря большим круглым окнам с торцом ротора и расположению осей, крышки ротора оказались снаружи и оребрены как и кольцевые сферические стенки камер ротора, что позволяет увеличить шаг охлаждающих винтовых ребер. Через окно 20 в крышке 10 постоянно охлаждается плоский газовый упор 12, хотя и находится внутри рабочей камеры. Оребрение 3 внутри пустотелой перегородки охлаждается, как и против окна 20, как и отвечающие впадины (рядом впускное окно 19).

Каждая крышка имеет плоский радиально направленный газовый упор 11 и 12 (фиг. 1) в виде сектора и рядом с плоскостью выемку для радиально направленных упоров-выступов 21 на пустотелой перегородке, в которой тоже имеются отвечающие радиально направленные выемки для упоров 11 и 12 (см. фиг.4, 5 и 6). К рабочей плоскости упоров 11 и 12 прижаты ленточной пружиной радиально направленные уплотнительные пластины 22, попарно расположенные в канавках выступов упоров 21, что обеспечивает небольшую подвижность пластин (= 0,28 мм), исключающую их залегание (закоксовывание) в канавках.

Такая же малая подвижность будет и у внешних торцов уплотнительных пластин, а следовательно, будет и малый износ торцов.

К радиальной щели между пластинами 22 и плоскостью газового упора подведено масло (см. фиг.2) вниз по наконечнику 6 для уплотнения заполнением щели и смазки под давлением.

В канавках по периметру крышек установлены компрессионные кольца, примыкающие к уплотнительным пластинам 15 и 16 на газовых упорах. Между кольцами по радиальным сверлениям 17 подведено топливо в компрессоре, а по сверлениям 18 масло в рабочей ступени, для уплотнения камер путем заполнения зазоров под давлением. Радиальные сверления в центре через боковые сверления сообщаются с атмосферой. Компрессионные кольца с другой стороны до газового упора не доходят. Здесь пустые кольцевые канавки и плоский срез периметра крышки 9, щель для прохода топлива с воздухом в камеру всасывания с внешней кольцевой сферической поверхности 4. Аналогичный плоский срез и на крышке 10 (см. фиг.1, слева).

Корпус двигателя выполнен в форме улитки центробежного вентилятора, разъемной по горизонтальной плоскости (см. фиг.2, 3). На нижней половине базируются разъемные корпуса конических подшипников, через которые проходят прямые пустотелые валы крышек ротора 24, вал отбора мощности с запорной иглой 25 и жиклером 26 для регулировки подачи масла, вал 27 крышки 9 компрессора с запорной конической иглой 28 и жиклером 29 дизтоплива. Верхняя часть улитки корпуса 30 штампованная сварная является охлаждаемым маслобаком и диффузором на входе воздуха одновременно.

31 запальная калильная свеча, 32 гайка компенсатора износа устранением зазора конических поверхностей впадин между зубьями и головками зубьев в компрессоре и рабочей ступени одновременно, а также зазоров между наконечниками 6, лунками в крышках и в подшипниках.

Зуб очень короткий по высоте и его головка плотно прижата к впадине (в обычном зацеплении здесь всегда зазор). Для простоты изготовления зубьев (технологичности), радиус округления углов впадин и углов головок зубьев одинаков по всей длине зуба от наконечника до периметра шестеренки (в действительности он будет несколько больше, чем изображение на фиг. 1, 4, 5 и 6). На собственно профиль зуба, например эвольвенту, останется всего 2 мм на периферии, так как высота зуба здесь 4 мм. А в центре, около наконечников, профиль зуба будет состоять из сопряженных полуокружностей головки и впадины, т.к. это будет радиально гофрированная коническая поверхность без эвольвенты, с высотой зуба 2 мм.

Прижатие головки зуба к впадине осуществляется компенсатором износа 32, а боковые поверхности зацепленных зубьев создают лабиринт, через который продавливается дизтопливо или масло. Этим и достигается хорошее уплотнение в зацеплении и размалывание, растирание и распыление дизтоплива.

Газы давят на плоский газовый упор 12. Вращающий момент передается непосредственно на вал отбора мощности 24, минуя зацепление шестерен (см. фиг. 1). Через зацепление шестерен передается только малая часть усилия, потребляемая компрессором, что значительно снижает износ зацепления.

Двигатель полностью уравновешен, как турбина.

Описание работы роторного двигателя.

Дизтопливо поступает через пустотелый хвостовик запорной иглы 28, конус которой регулирует проходное коническое сечение жиклера 29 и далее по радиальным сверлениям 17, выходящим между компрессионными кольцами 13, создавая по периметру жидкостный вязкий уплотнительный пояс под давлением 29 ат, запирает микроскопические щели по плоскостям колец. Центробежная сила очень плотно прижимает компрессионные кольца к кольцевой сферической поверхности 4, поэтому на ней происходит растирание, размалывание и испарение, дизтоплива и обеспечивается отличное идеальное уплотнение по длинному периметру подготовительной камеры.

С внешней кольцевой сферической стенки 4 дизтопливо с воздухом всасывается в камеру всасывания за газовым упором 11 через щель плоского среза против впускного окна 19 (см. фиг.1) постоянно, непрерывно.

Внутренним компрессионным кольцом 13 дизтопливо будет сгоняться в зацепление шестерен внизу постоянно. Поверхность головки зуба плотно катится по поверхности впадины. Во впадине между зубьями дизтопливо будет сжиматься головкой зуба, входящего в зацепление и подниматься по щели к центру, значительно улучшая уплотнение в зацеплении зубьев, и одновременно будет размалываться, растираться и распыляться навстречу вращению. Вдали от зацепления под действием центробежной силы крупные капельки будут оседать на кольцевой сферической поверхности и снова попадать в зацепление, сжиматься, размалываться и распыляться. Вдали от зацепления происходит интенсивнейшая сепарация распыленного топлива. Около газового упора и перепускного клапана образуется воздух с незначительным содержанием паров дизтоплива, так как зацепления далеко внизу. А перед зацеплением будет зона размолотого, распыленного и испаренного дизтоплива.

Когда от плоскости упора 11 до зацепления зубьев внизу останется 90^о поворота ротора, давление в камере сжатия будет 20,33 ат (степень сжатия ε= 11,15), перепускной клапан от давления откроется, и воздух с незначительным содержанием паров дизтоплива по перепускному каналу устремится в рабочую камеру, которая только что образовалась за газовым упором 12.

После открытия клапана, через 40^о поворота ротора в рабочую камеру перетечет 2/3 объема воздуха и только теперь начнется интенсивное поступление размолотого, растертого, распыленного и испаренного дизтоплива, так как клапан подойдет в зону распыленного дизтоплива, к зацеплению шестерен внизу.

Давление в рабочей камере станет 28,6 ат ( ε= 14,62).

В относительно холодной камере сжатия давление будет 48 ат, но в ней останется очень сильно переобогащенная холодная смесь с большим содержанием нераспыленного топлива в зацеплении, уплотняющем его, которая сжимается в оставшейся очень узкой и длинной холодной камере в виде щели с очень малым объемом, всего 2,9 см³. Воздуха здесь очень мало. Воспламениться здесь холодная переобогащенная смесь, по сути пульпа, не может.

За перепускным клапаном, в самом узком месте кольцевой струи смеси максимальная скорость ее C_max= = 1344 м/с а давление, с 48 ат в камере сжатия, упадет в этом месте почти вдвое. Поэтому захваченные мелкие капельки горячего дизтоплива, внутренним давлением в этих капельках, при резком падении давления снаружи их разорвутся и испарятся лучше, чем в факеле форсунки, ибо там холодная топливная струя в начале, а здесь горячая бедная топливная смесь и интенсивнейшая предельная турбулентность ее при перепуске.

Компрессионными кольцами дизтопливо растирается и испаряется с большой относительно горячей поверхности кольцевой сферической стенки. В зацеплении оно размалывается и распыляется. Около зацепления дизтопливо интенсивно сепарируется от крупных капелек и испаряется постоянно, а за перепускным клапаном снова распыляется и интенсивно испаряется, при резком перепаде давлений, в струе с интенсивнейшей турбулентностью.

От плоскости упора до оси клапана ≈20^о.

При повороте плоскости упора от 60 ≈ до 65^о перетечет еще 8,5 см³ богатой смеси в рабочую камеру. Далее перепускной клапан закроется, так как давление в камере сжатия резко упадет по причине ее сообщения с камерой всасывания, так как клапан проходит зацепление шестерен. Весь объем между шестернями стал камерой всасывания, куда перетекут последние 9 см³ переобогащенной топливной пульпы.

За газовым упором впускное окно 19, через которое все время всасывается холодный воздух. Когда задняя кромка впускного окна будет на линии раздела камер внизу, зацеплением шестерен отсечется объем камеры сжатия. В это время плоскость газового упора отойдет от вертикальной линии раздела камер на 50^о. Это начало сжатия следующего цикла.

Против устья перепускного канала в рабочей камере не крышке 10 находится раскаленный экран калильной свечи 31, и при ударе об него вначале загорается предельно бедная смесь при избытке кислорода. Интенсивнейшая турбулентность распространяет очаги загорания смеси с очень большой скоростью, поэтому даже очень бедная смесь сгорает сразу при поступлении в рабочую камеру качественно, полностью и быстро. Условий для образования сажи нет.

Через кольцевую клапанную щель, при открытом положении клапана, в рабочую камеру в распыленном состоянии поступит "за цикл" топлива ровно столько, сколько его перетечет через жиклер 29, за один оборот ротора. Этот приход расход саморегулируется и не нарушается.

Все топливо, прошедшее через жиклер, непременно перетечет за счет центробежной силы через зазоры на плоскостях компрессионных колец на кольцевую сферическую поверхность. Если перетечет не все дизтопливо, то повысится высота столба топлива в радиальных сверлениях крышки 9, при этом давление в зазорах колец увеличится и соответственно увеличится скорость продавливания в них. Приход-расход сохранится. Внутренним компрессионным кольцом все топливо сгоняется в зацепление шестерен внизу. По норме в нем должно быть 15 мм³ дизтоплива. Если по какой-то причине в рабочую камеру через щель открытого клапана станет перетекать не 15 мм³, а, например, 13 мм³ дизтоплива, то в подготовительной камере будет оставаться по 2 мм³ дизтоплива за каждый оборот ротора. При 200 об/с излишек будет 2 200 400 мм³, а это 400:1526,6 доз. Таким образом, за одну секунду резко увеличится зона распыленного дизтоплива, переходящего через открытый клапан. Таким образом, рассмотренный пример раскрывает механику автоматики саморегулирования процесса, при не меняющейся пропускной способности топливного жиклера 29.

Если нагрузка увеличилась, например на подъеме, то обороты уменьшатся. Увеличится высота столба топлива в радиальном канале 17. На один оборот станет больше приходиться дизтоплива. Зона распыленного топлива перед зацеплением увеличится. Теперь за один оборот станет больше проходить распыленного дизтоплива через щель открытого клапана, смесь обогатится, а автомата и дозатора нет.

Если оборотов в секунду станет больше (кончился подъем, уменьшилась нагрузка), то уменьшится высота столба топлива. На один оборот станет меньше приходиться дизтоплива, смесь снова автоматически станет беднее, а автомата и дозатора нет.

При увеличении проходного сечения жиклера 29 конической иглы 28 увеличится цикловая доза. Смесь в начале обогатиться. Двигатель увеличит обороты. По мере увеличения оборотов пропускная способность жиклера не меняется, поэтому смесь автоматически обедняется, приходит в норму. Двигатель работает на повышенных оборотах, а автомата нет.

Через клапан 8 в начале перепуска передавливается запредельно бедная смесь. Через 45^о в рабочую камеру летит топливная смесь. Скорость резко уменьшается при ее ударе об горячий экран калильной свечи. Температура здесь резко повышается. Смесь воспламенится, как только концентрация топлива достигнет воспламеняемого минимума. Очаги горения движутся быстрее распространения фронта пламени в них. Это турбулентное горение идеальные условия для сгорания бедной смеси. Смесь сгорает быстро и качественно при избытке кислорода. Сажа не образуется.

Формула изобретения

1. РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий глубокого расширения, подготовительную и рабочую секции, состоящие из двух пар конических шестерен, разделенных пустотелой перегородкой и соединенных перепускным каналом с клапаном, содержащим радиально направленные плоские газовые упоры, две кольцевые сферические стенки и два вала с подшипниками, расположенными под тупым углом, отличающийся тем, что для охлаждения оребренные кольцевые сферические стенки напрессованы на стенки конических шестерен пустотелой перегородки и заканчиваются на малом диаметре, образуя с торцов ротора большие круглые окна, в которых расположены оребренные крышки ротора с валами и подшипниками, а в крышке рабочей секции перед плоским односторонним газовым упором имеется окно, при этом для охлаждения и уплотнения радиально направленный газовый упор имеет только одну рабочую плоскость, к которой прижаты две уплотнительные пластины, находящиеся в одной канавке радиально направленного выступа шестерни пустотелой перегородки, основания которых соединены ребрами, в виде лопаток центростремительного вентилятора, перед газовым упором подготовительной секции, в полусферическом наконечнике, впрессована радиально направленная шпилечная пружина с перепускным клапаном, а крышка шестерня через подшипники гайкой прижимается к шестерне пустотелой перегородки.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что для смесеобразования и уплотнения подача дизтоплива подведена между компрессионными кольцами, по радиально направленному каналу, в крышке подготовительной секции, имеющей за газовым упором плоский срез и для смазки и уплотнения между компрессионными кольцами, по радиально направленному каналу в крышке рабочей секции подведено масло и в полусферических наконечниках имеются каналы для подвода масла к уплотнительным пластинам.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что для охлаждения корпус выполнен в виде улитки центробежного вентилятора с диффузором, разъемной по горизонтальной плоскости, с охлаждаемым маслобаком, являющимся и верхней половиной входного диффузора, а в улитке размещен ротор двигателя, являющийся и вентилятором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6