Двигатель внутреннего сгорания - ривенер

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение КПД двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит две камеры переменного объема и внешнюю камеру сгорания. Одна камера переменного объема выполняет функции впуска и расширения, а другая - выпуска и нагнетания. Камера сгорания сообщена при помощи нагнетательных и перепускных каналов с клапанами с камерами переменного объема. Согласно изобретению, камера сгорания снабжена установленным в ней с возможностью перемещения свободным вытеснителем, выполненным в виде поршня и разделяющим камеру сгорания на две последовательно работающие части. Каждая часть сообщена с камерами переменного объема при помощи нагнетательного и перепускного канала, а одна из частей камеры снабжена дополнительно продувочным каналом с клапаном. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2078958, кл. F 02 В 53, 1993), содержащий компрессор с впускным клапаном во впускном патрубке, поршнем и шатуном, камеру сгорания с впускным и выпускным клапанами, соединенную посредством перепускных патрубков с компрессором и камерой расширения с выпускным патрубком, и расположенный внутри камеры расширения ротор с лопаткой, установленной в пазу. На камере сгорания установлено устройство для впрыскивания топлива. Шатун компрессора и ротор камеры расширения установлены на едином коленвалу с маховиком на конце, а колено коленвала и паз в роторе расположены в противоположные стороны.

Данный двигатель обладает рядом недостатков. Продувка камеры сгорания и наличие патрубка между камерой сгорания и камерой расширения создают большие аэродинамические сопротивления и потери энергии, что снижает КПД двигателя, при этом продувка не дает полного очищения камеры сгорания от отработанных газов. Кроме того, двигатель усложнен отдельным поршневым компрессорным блоком.

Известен также роторный двигатель Кашеварова (Патент РФ №2105890, кл. F 02 В 53/00, 98 г.), содержащий несколько статоров и роторов с общим рабочим валом, камерой сгорания, топливной форсункой и электросвечой, паровую (воздушную) камеру с трубочками, размещенными в выхлопной трубе и поставляющими пар (воздух) высоких параметров, дверцу с осью вращения и рычагом, клапаны для подачи сжатого воздуха, топлива и пара электродатчики температуры и положения ротора. Каждый ротор имеет втулку и радиаторные пластины, соединяющие его обод с рабочим валом, цилиндрическая поверхность ротора скользит по внутренней круговой цилиндрической поверхности статора, при этом по цилиндрической поверхности ротора скользит своей пружиной дверца статора.

Указанный двигатель обладает следующими недостатками. Продувка камеры сгорания и конструктивно и технологически очень сложна. Для ее осуществления в каждый начальный момент времени каждого цикла работы двигателя дверца должна вначале перекрыть отверстие в камере сгорания, а затем замкнуть электроцепь электродатчика, в соответствии с сигналом которого компьютер открывает клапан для продувки камеры сгорания. При этом пружинный электродатчик должен коснуться дверцы до того, как дверца перекроет отверстие в камере сгорания, чтобы до этого перекрытия сжатый воздух, до подачи топлива, успел продуть камеру сгорания и удалить из нее выхлопные газы. Из сказанного совершенно очевидно, что указанная конструкция очень сложна, а ее надежность находится на низком уровне. Это в свою очередь приводит к неполному очищению камеры сгорания, потере энергии и снижению КПД двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является роторный двигатель (патент США №3823694, F 02 B 53/00, 1974 г.), содержащий корпус, две камеры переменного объема, одна из которых снабжена впускным, а другая - выпускным каналами с запорными органами, и внешнюю камеру сгорания, при этом одна камера переменного объема выполняет функции впуска и расширения, а другая - выпуска и нагнетания, камера сгорания сообщена при помощи нагнетательных и перепускных каналов с установленными в них клапанами, соответственно с камерой выпуска и нагнетания и с камерой впуска и расширения.

Данный двигатель обладает рядом недостатков. Отсутствует продувка камер сгорания, что приводит к неполному очищению камер сгорания от отработанных газов, ухудшению качества горючей смеси и снижению КПД двигателя. Кроме того, двигатель усложнен двумя камерами сгорания и наличием большого количества патрубков, создающих дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД двигателя.

Технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере, две камеры переменного объема, одна из которых снабжена впускным, а другая - выпускным каналами с запорными органами, и внешнюю камеру сгорания, при этом одна камера переменного объема выполняет функции впуска и расширения, а другая - выпуска и нагнетания, камера сгорания сообщена при помощи нагнетательных и перепускных каналов с установленными в них клапанами, соответственно с камерой выпуска и нагнетания и с камерой впуска и расширения, согласно изобретению камера сгорания снабжена установленным в ней с возможностью перемещения свободным вытеснителем, выполненным в виде поршня и разделяющим камеру сгорания на две последовательно работающие части, каждая часть сообщена с камерами переменного объема при помощи, по меньшей мере, нагнетательного и перепускного канала, а одна из частей камеры снабжена дополнительно продувочным каналом с клапаном, при этом рабочий цикл образован последовательностью попарно чередующихся тактов, а двигатель выполнен роторным, причем рабочая полость корпуса выполнена в виде цилиндрической полости с выступом корпуса, направленным в сторону ее центра, а ротор выполнен цилиндрическим, снабжен подвижной лопаткой, контактирующей с внутренней поверхностью полости, и установлен соосно с последней, при этом полость разделена на камеры переменного объема лопаткой и взаимодействующей с выступом корпуса наружной поверхностью ротора, а в камере сгорания установлена, по меньшей мере, одна форсунка с возможностью впрыска топлива последовательно в одну и другую части.

На фиг.1 представлены поперечные сечения предлагаемого двигателя внутреннего сгорания. Для удобства понимания принципов работы двигателя приведены три разреза двигателя.

Разрез А-А перпендикулярно оси вращения ротора через нагнетательный клапан 6 и рабочий клапан 8. Дополнительно показана форсунка 4.

Разрез В-В перпендикулярно оси вращения ротора через нагнетательный клапан 7 и рабочий клапан 9. Дополнительно показана форсунка 4.

Разрез С-С параллельно оси вращения ротора через ось камеры сгорания и продувочный клапан 5 (разрез повернут на 90°). На фиг.2 все детали обозначены цифрами, а все переменные объемы - буквами. Разрез ротора дан без штриховки. Односторонними стрелками показаны пути перемещения газов. Углы поворота ротора обозначены греческими буквами и показаны дугами с двумя стрелками на концах. Подача топлива через форсунку показана стрелкой и ласточкиным хвостом на концах. Направления движения свободного вытеснителя показаны стрелкой и точкой на концах. Ротор вращается по часовой стрелке. Клапан, на котором установлен крест, закрыт, а клапан без креста открыт. Рабочая лопатка выполняет роль поршня, а рабочая камера, образованная между статором и ротором, роль цилиндра. Точка «0» является точкой смены тактов и началом отсчета оборотов ротора. В точке «0» задняя камера переменного объема (ЗКПО) предыдущего оборота переходит в переднюю камеру переменного объема (ПКПО) следующего оборота. Так как за один цикл происходит попарно по два такта, то первый и второй одинаковые такты обозначены римскими цифрами I и II соответственно.

На фиг.3-15 показаны основные принципы работы роторного двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг.2) состоит из корпуса статора 1 с камерой сгорания 2, имеющей свободный вытеснитель в виде поршня 3, топливную форсунку 4, продувочный канал с клапаном 5. Кроме того, в корпусе статора 1 находится рабочая полость, которая соединена с камерой сгорания 2 двумя независимыми нагнетательными клапанами 6 и 7, и двумя независимыми рабочими клапанами 8 и 9. Рабочая полость корпуса 1 выполнена в виде цилиндрической полости с выступом корпуса направленным в сторону ее центра. Корпус статора 1 с профилированной внутренней поверхностью, частично соприкасающейся с вращающейся цилиндрической поверхностью ротора 10, имеет впускной клапан 11 и выпускной клапан 12. Ротор 10 установлен соосно с внутренней полостью камеры 1. Камера сгорания 2 разделена вытеснителем 3 на две последовательно работающие части: на переменные левую камеру сгорания (ЛКС) и правую камеру сгорания (ПКС). Разделительная рабочая лопатка 13, находящаяся подвижно в роторе 10, контактирует с его внутренней поверхностью, постоянно поджата торцом к профилированной внутренней поверхности корпуса статора 1 пружиной 14 и делит рабочую полость на две части - заднюю камеру переменного объема (ЗКПО) и переднюю камеру переменного объема (ПКПО). Впускной клапан 11 и рабочие клапаны 8 и 9 располагаются в максимальной близости начала возникновения ЗКПО, образованной задней поверхностью вращающейся разделительной лопатки 13, наружной поверхностью ротора 10 и внутренней поверхностью статора 1. Выпускной клапан 12 и нагнетательные клапаны 6 и 7 располагаются в максимальной близости конца исчезновения ПКПО, образованной передней поверхностью вращающейся разделительной лопатки 13, наружной поверхностью ротора 10 и внутренней поверхностью статора 1.

Свободный вытеснитель 3 имеет проточки для предотвращения ее «залипания» к торцевым поверхностям камеры сгорания 2 и для наличия площадки для давления подводимого сжимаемого воздуха. Для исключения ударов свободным вытеснителем 3 по торцевым поверхностям камеры сгорания 2 можно установить демфирующие пружины (не показаны).

За счет конструкции двигателя длина всех каналов сведена к минимуму, что резко уменьшает аэродинамические сопротивления.

Приводы клапанов 5, 6, 7, 8, 9, 11 и 12 на чертежах не показаны и могут быть механического, электромагнитного, гидравлического и т.д. действия.

Соотношение объема рабочей полости (ЗКПО+ПКПО) к объему камеры сгорания (ЛКС или ПКС) является степенью сжатия роторного двигателя. Камера сгорания 2 максимально приближена к рабочей полости, которые разделены друг от друга только клапанами, что исключает применение патрубков.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Начало 1-го оборота ротора и начало такта выпуска отработанных газов из ПКПО от предыдущего цикла и такта всасывания воздуха I в ЗКПО показаны на фиг.3. Клапаны 6, 7, 8, 9 и 11 закрыты. Клапан 12 открыт. Клапан 5 открывается. Свободный вытеснитель 3 в крайнем левом положении. Отработанные газы выходят из ПКПО через клапан 12, а из ПКС через продувочный клапан 5.

Начальная стадия 1-го оборота и продолжение такта выпуска отработанных газов из ПКПО от предыдущего цикла и такта всасывания воздуха I в ЗКПО показаны на фиг.4. Клапаны 6, 7, 8 и 9 закрыты. Клапаны 5 и 12 открыты. При достижении рабочей лопаткой 13 угла α (когда окно клапана 11 исчезло из ПКПО) открывается клапан 11 и начинается всасывание через него воздуха в ЗКПО. Свободный вытеснитель 3 в крайнем левом положении. Отработанные газы выходят из ПКПО через клапан 12, а из ПКС - через продувочный клапан 5.

Заключительная стадия 1-го оборота и завершение такта выпуска отработанных газов из ПКПО от предыдущего цикла и такта всасывания воздуха I в ЗКПО показаны на фиг.5. Клапаны 6, 7, 8 и 9 закрыты. Клапаны 5 и 11 открыты. При достижении рабочей лопаткой 13 угла β (перед выходом окна клапана 12 в ЗКПО) клапан 12 закрывается. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем левом положении. Отработанные газы продолжают выходить из ПКС через продувочный клапан 5.

Конец 1-го оборота - начало 2-го оборота показаны на фиг.6. Завершены такт выпуска отработанных газов из ПКПО от предыдущего цикла и такт всасывания воздуха I в ЗКПО. Переход ЗКПО 1-го оборота в ПКПО 2-го оборота. Клапаны 7, 8, 9 и 12 закрыты. Клапаны 5 и 11 открыты. Открывается клапан 6, соединяя ЛКС с ПКПО. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем левом положении. Отработанные газы продолжают выходить из ПКС через продувочный клапан 5.

Начальная стадия 2-го оборота и начало такта сжатия воздуха I в ПКПО и такта всасывания воздуха II в ЗКПО показаны на фиг.7.

Клапаны 7, 8, 9 и 12 закрыты. Клапаны 5, 6 и 11 открыты. При достижении рабочей лопаткой 13 угла γ (когда давление в ЛКС начинает превышать давление в ПКС) свободный вытеснитель 3 начнет движение вправо, увеличивая объем ЛКС и соответственно уменьшая объем ПКС. Отработанные газы продолжают выходить из ПКС через продувочный клапан 5. Рабочая лопатка 13 вытесняет из ПКПО воздух в ЛКС, одновременно сжимая его. ЗКПО всасывает воздух через клапан 11 за счет увеличения своего объема.

Заключительная стадия 2-го оборота и завершение такта сжатия воздуха I в ПКПО и ЛКС и такта всасывания воздуха II в ЗКПО показаны на фиг.8. Клапаны 7, 8, 9 и 12 закрыты. Клапаны 5 и 11 открыты. При достижении рабочей лопаткой 13 угла μ (до появления окна клапана 6 в ЗКПО) клапан 6 закрывается. Свободный вытеснитель 3 под воздействием сжатого воздуха в ЛКС достиг крайнего правого положения, вытолкнув отработанные газы через клапан 5. ЗКПО завершает всасывание воздуха через клапан 11.

Конец 2-го оборота - начало 3-го оборота и завершение такта сжатия воздуха I в ЛКС за счет его полного вытеснения из ПКПО и такта всасывания воздуха II в ЗКПО показаны на фиг.9. Переход ЗКПО 2-го оборота в ПКПО 3-го оборота. Клапаны 6, 7, 8, 9, 11, 12 закрыты. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем правом положении. Продувочный клапан 5 закрывается. Воздух в ЛКС сжат и нагрет.

Начальная стадия 3-го оборота и начало такта сжатия воздуха II в ПКПО и такта рабочего хода I в ЗКПО показаны на фиг.10. Клапаны 5, 6, 9, 11, 12 закрыты. В горячий сжатый воздух в ЛКС подается через форсунку 4 топливо, которое воспламеняется, что создает повышенное давление в ЛКС. Открывается клапан 7 соединяющий ПКС и ПКПО. При достижении рабочей лопаткой 13 угла (когда окно клапана 8 окажется в ЗКПО) открывается клапан 8 и соединяет ЛКС с ЗКПО. Газы с большим давлением, полученные в результате сжигания топлива в ЛКС, попадая в ЗКПО, начинают давить на заднюю стенку рабочей лопатки 13, заставляя вращаться ротор 10. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем правом положении.

Средняя стадия 3-го оборота и продолжение такта сжатия воздуха II в ПКПО и такта рабочего хода I в ЗКПО показаны на фиг.11. Клапаны 5, 6, 9, 11, 12 закрыты. Клапаны 7, 8 открыты. При достижении рабочей лопаткой 13 угла λ (когда давление рабочего газа в ЗКПО равно давлению сжимаемого воздуха в ПКПО) за счет энергии стартера (при заводке) или инерции маховика двигателя (при работе двигателя) преодолевается сопротивление сжимаемого воздуха, который вытесняется рабочей лопаткой 13 из ПКПО в ПКС. После преодоления угла λ давление в ПКС становится больше, чем в ЛКС, что заставляет двигаться свободный вытеснитель 3 влево.

Заключительная стадия 3-го оборота и завершение такта сжатия воздуха II в ПКПО и ПКС и такта рабочего хода I в ЗКПО показаны на фиг.12. Клапаны 5, 6, 9, 11, 12 закрыты. Клапан 8 открыт. При достижении рабочей лопаткой 13 угла θ (до появления окна клапана 7 в ЗКПО) клапан 7 закрывается. Свободный вытеснитель 3 под воздействием сжимаемого воздуха в ПКС достигает крайнего левого положения.

Конец 3-го оборота - начало 4-го оборота и завершение такта сжатия воздуха II в ПКС за счет его полного вытеснения из ПКПО и такта рабочего хода I в ЗКПО показаны на фиг.13. Переход ЗКПО 3-го оборота в ПКПО 4-го оборота. Клапаны 5, 6, 7, 8, 9, 11 закрыты. Клапан 12 открывается. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем левом положении.

Начальная стадия 4-го оборота. Начало такта выпуска отработанных газов I из ПКПО и такта рабочего хода II в ЗКПО показаны на фиг.14. Клапаны 5, 6, 7, 8, и 11 закрыты. Клапан 12 открыт. В горячий сжатый воздух в ПКС через форсунку 4 подается топливо, которое воспламеняется. При достижении рабочей лопаткой 13 угла δ (когда окно клапана 9 окажется в ЗКПО) открывается клапан 9 и соединяет ПКС с ЗКПО. Газы с большим давлением, полученные в результате сжигания топлива в ПКС, попадая в ЗКПО, начинают давить на заднюю стенку рабочей лопатки 13, совершая работу по повороту ротора 10. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем левом положении.

Конец 4-го оборота - начало 5-го оборота ротора (или первого оборота следующего цикла) и начало такта выпуска отработанных газов II из ПКПО и такта всасывания воздуха в ЗКПО I следующего цикла показаны на фиг.15. Клапаны 6, 7, 8, 9 и 11 закрыты. Клапан 12 открыт. Клапан 5 открывается. Свободный вытеснитель 3 находится в крайнем левом положении. Отработанные газы выходят из ЗКПО через клапан 12, а из ПКС - через продувочный клапан 5. Конец 1-го цикла - начало 2-го цикла.

В предложенном двигателе внутреннего сгорания за 4 оборота ротора (или один цикл) происходит восемь тактов, причем такты всасывания и рабочего хода происходят попарно только в ЗКПО, а такты сжатия и выпуска отработанных газов происходят попарно только в ПКПО. Таким образом, рабочий цикл образован последовательностью попарно чередующихся тактов.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере, две камеры переменного объема, одна из которых снабжена впускным, а другая - выпускным каналами с запорными органами, и внешнюю камеру сгорания, при этом одна камера переменного объема выполняет функции впуска и расширения, а другая - выпуска и нагнетания, камера сгорания сообщена при помощи нагнетательных и перепускных каналов с установленными в них клапанами соответственно с камерой выпуска и нагнетания и с камерой впуска и расширения, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена установленным в ней с возможностью перемещения свободным вытеснителем, выполненным в виде поршня и разделяющим камеру сгорания на две последовательно работающие части, каждая часть сообщена с камерами переменного объема при помощи, по меньшей мере, нагнетательного и перепускного канала, а одна из частей камеры снабжена дополнительно продувочным каналом с клапаном.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий цикл образован последовательностью попарно чередующихся тактов.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель выполнен роторным, причем рабочая полость корпуса выполнена в виде цилиндрической полости с выступом корпуса, направленным в сторону ее центра, а ротор выполнен цилиндрическим, снабжен подвижной лопаткой, контактирующей с внутренней поверхностью полости и установлен соосно с последней, при этом полость разделена на камеры переменного объема лопаткой и взаимодействующей с выступом корпуса наружной поверхностью ротора.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камере сгорания установлена, по меньшей мере, одна форсунка с возможностью впрыска топлива последовательно в одну и другую части.