Двухроторный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к газотурбинным установкам с прерывистым сгоранием. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в корпусе с двумя рабочими камерами установлены два ротора в противофазе друг к другу. Поверхности рабочих камер и роторов имеют форму поверхности вращающегося овала. Роторы имеют по несколько выемок с формами в основании в виде выступа с поверхностью половины усеченного конуса, частично окруженного отстоящим на небольшом расстоянии полукольцом. Полукольца вместе с выступами образуют отверстия для вентиляции с сечением в виде полукольца, а по образующей ротора выполнен канал для поддержания давления в полостях выемок ротора и рабочей камеры при повороте ротора во время фазы «рабочий ход». Роторы имеют систему уплотнений, состоящую из сдвоенных компрессионных колец, надетых на съемные замки, которые устанавливаются на торцы выборок и подпружиненных полуколец, вставленных в пазы, выполненные по линиям сопряжении овала. 8 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.
Из уровня техники известен роторный двигатель Ф.Ванкеля, содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем рабочей камерой гипоциклоидной формы, в стенке которой выполнены окна газообмена, ротор-поршень трехгранной формы с радиальными стенками, являющимися поверхностями рабочих камер, на которых выполнены выемки для создания требуемой степени сжатия. С торцовой стороны ротора-поршня установлена синхронизирующая шестерня с внутренним зацеплением. Кривошипный механизм двигателя в виде цельного коленвала выполнен за одно целое с шестерней (Е.И.Ипатов и другие «Судовые роторные двигатели», стр.46-73).
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем трехгранной рабочей камерой, стороны которой образованы сопряженными дугами окружности, осесимметричный ротор-поршень, расположенный в рабочей камере и установленный на коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня, причем длина ротора-поршня равна постоянной ширине рабочей камеры. Механизмы привода ротора-поршня снабжены неподвижной шестерней внутреннего зацепления, установленной в корпусе и связанной с малой шестерней наружного зацепления, установленной на ползуне выходного вала. При этом ползун подпружинен и установлен в щеках выходного вала с возможностью вращения его. В каждой стенке корпуса для подачи топливовоздушной смеси и отвода отработанных газов выполнены окна газообмена, в которых установлены клапаны, обеспечивающие газообмен, и размещен источник воспламенения. Система уплотнения двигателя включает радиальные уплотнения и подвижные торцовые уплотнения, расположенные как в корпусе, так и в роторе двигателя (авторское свидетельство №1343062 от 06.12.71).
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем трехсторонней рабочей камерой в форме фигуры постоянной ширины, образованной с соотношением радиусов сопряженных дуг, удовлетворяющим условию:
М - габаритная ширина по кромкам уплотнительных элементов, установленных на торцах ротора-поршня;
R - большой радиус сопряженной дуги;
r - малый радиус сопряженной дуги;
D - диаметр описанной вокруг вентиляционных каналов торцовых крышек окружности;
- эксцентриситет коленвала.
Осесимметричный ротор-поршень с цилиндрическими поверхностями головок расположен в рабочей камере и установлен на выходном коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня. Кроме того, двигатель содержит механизм привода, снабженный двумя парами роликов, установленных на торцах ротора-поршня соосно цилиндрическим поверхностям головок и взаимодействующих с рабочими цилиндрическими поверхностями секторов, которые выполнены за одно целое с коленвалом. Газораспределительный механизм двигателя выполнен в виде двух окон газообмена, выполненных в стенках корпуса рабочей камеры, вблизи одной из вершин, расположенной напротив стороны с источником воспламенения (форсунка или свеча зажигания). Система уплотнения двигателя включает уплотнение ротора-поршня, состоящее из пластин, расположенных в вершинах головок ротора-поршня, и уплотнительных элементов, расположенных на торцах ротора-поршня, а также неподвижное уплотнение рабочей камеры, образованное торцевыми крышками. Торцевые крышки с отверстиями в центре для отвода утечек газов и масла установлены неподвижно на торцах корпуса рабочей камеры. Для выхода из мертвых точек на противоположных концах коленвала установлены маховик и рабочее колесо вентилятора с соизмеряемыми между собой массами (патент РФ №2152522 от 27.11.98).
Недостатками данных двигателей являются наличие технологически сложных форм (гипоциклоидная, трехгранная, трехсторонняя) рабочих камер, определяющих сложные траектории движения роторов-поршней, наличие кривошипных механизмов в виде коленвалов с установленными на них с помощью ползунов роторами-поршнями трехгранной или осесиметричной формы, наличие механизмов привода роторов-поршней с зубчатыми зацеплениями, опорных пар роликов на торцах роторов-поршней и других механизмов, обеспечивающих выход роторов-поршней из мертвых точек рабочих камер и их перемещения, не связанные с получением энергии от давления сгоревших газов. Кривошипный и другие механизмы требуют высокой точности изготовления и высокого качества рабочих поверхностей деталей, что ведет к большим затратам и технологическим сложностям как при изготовлении деталей, так и двигателя в целом. Сложные траектории движения роторов-поршней ускоряют износ деталей и двигателя в целом, снижают срок работы, работоспособность и надежность двигателя. Недостатком является то, что только один из трех тактов рабочего цикла является «рабочим ходом - расширением», причем даже из этой трети рабочего цикла двигатель не получает максимально возможную энергию от сгоревшего топлива из-за кривошипного механизма в конструкции двигателя, что приводит к падению давления сгоревших газов и соответственно к снижению крутящего момента.
Техническим результатом изобретения является увеличение КПД двигателя в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, повышение надежности, ресурса, удельных массо-габаритных показателей и упрощение конструкции двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в двухроторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с двумя рабочими камерами, имеющими по выемке для установки впускных клапанов (впуск сжатого воздуха или сжатой топливовоздушной смеси), источников воспламенения и по выпускному окну, два ротора, установленные в рабочих камерах на валу двигателя в противофазе друг к другу, согласно изобретению поверхности рабочих камер и роторов имеют форму поверхности вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми), роторы имеют на поверхности по несколько выемок с формами в основании в виде выступа с поверхностью формы половины усеченного конуса, частично окруженного отстоящим на небольшом расстоянии полукольцом, при этом полукольца вместе с выступами образуют отверстия для вентиляции с сечением в виде полукольца, по образующей ротора выполнен канал для поддержания давления в полостях выемок ротора и рабочей камеры при повороте ротора во время фазы «рабочий ход», роторы имеют выборки с общим угловым сектором, близким к 180°, с целью использования роторов с торцами выборок как вентиляторов рабочих камер роторы имеют выступы, к которым прикреплены замки с маслосъемными кольцами, необходимыми для снятия избыточного слоя масла с рабочих поверхностей камер, роторы имеют систему уплотнений, состоящую из сдвоенных компрессионных колец, надетых на съемные замки, которые устанавливаются на торцы выборок и подпружиненных полуколец, вставленных в пазы, выполненные по линиям сопряжении овала, при этом концы полуколец уступами заправлены под первые к ним компрессионные кольца.
На фиг.1 показан поперечный разрез двигателя (положение элементов двигателя при фазе «впуск»);
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 (положение канала);
на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1 (положение компрессионных колец и специального съемного замка);
на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг.1 (положение специального отверстия и полуколец);
на фиг.6 показано положение элементов двигателя при фазе «впуск»;
на фиг.7 показано положение элементов двигателя при фазе «рабочий ход»;
на фиг.8 показано положение элементов двигателя при фазе «выпуск-вентиляция».
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус 1 с выполненными в нем двумя рабочими камерами 2 с поверхностями формы поверхности вращающегося вокруг короткой оси овала. В каждой камере 2 выполнены выемки 3 для установки впускного клапана 4, служащего для своевременного впуска в камеру сгорания определенного объема сжатого до требуемой степени сжатия воздуха или топливовоздушной смеси и для установки устройства воспламенения 5. В рабочих камерах 2 на валу 7 расположены два ротора 6, установленные в противофазе друг к другу для распределения крутящих усилий роторов и балансировки масс. Роторы 6 имеют поверхности формы вращающегося вокруг короткой оси овала с выемками 8 в виде выступов формы половины усеченного конуса, частично окруженных полукольцами, находящимися на небольшом расстоянии от выступов и вместе с выступами составляющими отверстия 10 с сечениями в виде полуколец. На небольшом расстоянии от полуколец выемки заканчиваются торцами. Формы выемок выбраны расчетом с целью создания на валу двигателя максимального суммарного крутящего момента от давления сгоревших газов на поверхности выемок, каналов 9 по образующим роторов, соединяющих полости выемок рабочих камер с полостями выемок роторов при значительном угле поворота роторов с начала фазы «рабочий ход» с целью поддержания давления. Большие выборки с общим угловым сектором более 180° используются для крепления деталей уплотнения роторов и в качестве вентиляторов рабочих камер. В корпусах выполнены выпускные окна 11. Система уплотнений включает уплотнения роторов, состоящие из компрессионных 12 и маслосъемных 13 колец, надетых на специальные съемные замки 14, прикрепляемые к торцам и специальным выступам роторов. Подпружиненные полукольца 15 вставлены в пазы 16 роторов, выполненные по линиям сопряжения вращающегося овала. Концы полуколец своими уступами заправлены под первые к ним компрессионные кольца. Рабочие камеры имеют неподвижные уплотнения 17 разъемов.
Двигатель работает следующим образом. Рабочий цикл каждого ротора преобразует в механическую энергию часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива в камере сгорания, и состоит из трех фаз: впуск, рабочий ход и выпуск - вентиляция.
Впуск (первая фаза).
Начинается с момента прохождения компрессионных колец переднего торца ротора выемки рабочей камеры с впускным клапаном и источником воспламенения. Открывается впускной клапан и в камеру сгорания вдавливается определенный объем сжатого до требуемой степени сжатия воздуха или топливовоздушной смеси. Клапан закрывается при повороте ротора на 25° с начала фазы. Впуск закончен.
Рабочий ход (вторая фаза).
Начинается с впрыска форсункой топлива или с зажигания искры свечой зажигания, т.е. со вспышки топлива или топливовоздушной смеси и начала термодинамического процесса в закрытом постоянном объеме камеры сгорания. Высокая температура сгоревших газов создает высокое давление в камере сгорания и на поверхностях выемок ротора, создавая максимальный суммарный крутящий момент на валу двигателя. Ротор под почти постоянным по величине давлением газов поворачивается приблизительно на 140° и подходит первыми по ходу компрессионными кольцами к выпускному окну. Рабочий ход закончен.
Выпуск - вентиляция (третья фаза).
Сгоревшие газы выходят через выпускное окно в атмосферу. Торец и выступ ротора как лопасти вентилятора выгоняют отработанный газ из рабочей камеры. Ротор поворачивается приблизительно на 195°. Фаза «Выпуск - вентиляция» закончена.
Рабочий цикл второго ротора проходит с отставанием от первого цикла на 180°.
Двухроторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с двумя рабочими камерами, имеющими по выемке для установки впускных клапанов (впуск сжатого воздуха или сжатой топливовоздушной смеси), источников воспламенения и по выпускному окну, два ротора, установленные в рабочих камерах на валу двигателя в противофазе друг к другу, отличающийся тем, что поверхности рабочих камер и роторов имеют форму поверхности вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми), роторы имеют на поверхности несколько выемок с формами в основании в виде выступа с поверхностью формы половины усеченного конуса, частично окруженного отстоящим на небольшом расстоянии полукольцом, при этом полукольца вместе с выступами образуют отверстия для вентиляции с сечением в виде полукольца, по образующей ротора выполнен канал для поддержания давления в полостях выемок ротора и рабочей камеры при повороте ротора во время фазы «рабочий ход», роторы имеют выборки с общим угловым сектором, близким к 180°, с целью использования роторов с торцами выборок как вентиляторов рабочих камер, роторы имеют выступы, к которым закреплены замки с маслосъемными кольцами, необходимыми для снятия избыточного слоя масла с рабочих поверхностей камер, роторы имеют систему уплотнений, состоящую из сдвоенных компрессионных колец, надетых на съемные замки, которые устанавливаются на торцы выборок, и подпружиненных полуколец, вставленных в пазы, выполненные по линиям сопряжении овала, при этом концы полуколец уступами заправлены под первые к ним компрессионные кольца.
