Двухроторный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к необъемным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение КПД двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус с двумя рабочими камерами, имеющими по выемке для установки впускных клапанов, источников воспламенения, и по выпускному окну. В рабочих камерах на валу двигателя установлены два ротора, имеющие выемки с каналами для создания крутящего момента на валу двигателя. При этом роторы установлены повернутыми на 180° друг относительно друга. Согласно изобретению поверхности рабочих камер и роторов имеют форму поверхности вращающегося овала. Роторы имеют выступы, а система уплотнений содержит закрепленные к торцам и выступам ротора съемные замки, на которые надеты маслосъемные и сдвоенные компрессионные кольца, а также подпружиненные полукольца, вставленные в пазы ротора, выполненные по линиям сопряжения овала. При этом концы полуколец заправлены под первые из сдвоенных компрессионных колец. 8 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. В основу изобретения поставлена задача создания надежного в работе ресурсосберегающего роторного двигателя внутреннего сгорания с более чем в два раза увеличенным КПД (коэффициент полезного действия) в сравнении с производимыми поршневыми двигателями внутреннего сгорания, с наибольшей удельной мощностью на единицу массы двигателя (при мощностях >150 л.с. более 3 л.с./кг) при небольших габаритах и простого как в технологическом, так и в конструктивном исполнении. Роторный двигатель содержит неподвижный корпус с выполненными в нем двумя рабочими камерами с поверхностями формы поверхности вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми), камеры имеют по выемке для установки впускного клапана, служащего для своевременного впуска определенного объема сжатого до требуемой степени сжатия воздуха или топливовоздушной смеси, и источника воспламенения (форсунка или свеча зажигания) и по выпускному окну; два ротора, установленные в рабочих камерах и на валу в противофазе друг к другу, для распределения крутящих усилий и балансировки масс, имеющие поверхности, подобные поверхностям рабочих камер, несколько выемок в виде круглых полуколец с образованием в основании выступа в форме усеченного конуса и с образованием между конусом и нетронутой снаружи частью ротора специального отверстия с сечением в виде полукольца, выбранными для создания максимального суммарного крутящего момента на валу двигателя, используя свойство газов при избыточном давлении в закрытом объеме оказывать равное, нормальное (перпендикулярное к поверхности) давление на любую точку поверхности этого объема и большие выборки для использования ротора как лопасти вентилятора рабочей камеры; систему уплотнений, включающую уплотнения роторов, состоящие из компрессионных и маслосъемных колец, надетых на специальные съемные замки, закрепляемые к торцам и специальным выступам роторов, подпружиненных полуколец, вставленных в пазы роторов, выполненные по линиям сопряжений вращающегося овала, концы полуколец своими уступами заправлены под первые из сдвоенных компрессионных колец и неподвижные уплотнения разъема рабочих камер и вала.
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, снабженного 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 клапана, 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 (RU. a.с. 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:
где
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, расположенный в рабочей камере и установленный на выходном коленвалу при помощи ползуна, размещенного в продольном пазу ротора-поршня. Кроме того, двигатель содержит механизм привода, снабженного 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, состоящего из пластин, расположенных в вершинах головок ротора-поршня, и уплотнительных элементов, расположенных на торцах ротора-поршня, а также неподвижное уплотнение рабочей камеры, образованное за счет торцовых крышек. Торцовые 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 (RU, патент на изобретение 2152522 от 27.11.98).
Недостатками данных двигателей являются наличие сложных форм (гипоциклоидная, трехгранная, трехсторонняя) рабочих камер, приводящих к технологическим сложностям при изготовлении и определяющих сложные траектории движения роторов-поршней; наличие кривошипных механизмов в виде коленвалов с установленными на них с помощью ползунов роторами-поршнями трехгранной или осесимметричной 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 обусловленного конструкцией двигателя расширения камеры сгорания и соответственно падения давления сгоревших газов.
В основу изобретения поставлена задача создания надежного в работе ресурсосберегающего роторного двигателя внутреннего сгорания с более чем в два раза увеличенным КПД (коэффициент полезного действия) в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, наибольшей мощностью на единицу массы двигателя (при мощностях >150 л.с. более 3 л.с./кг) при небольших габаритах и простого как в технологическом, так и в конструктивном исполнении. Поставленная задача решается в заявляемом роторном двигателе, содержащем неподвижный корпус с выполненными в нем двумя рабочими камерами с поверхностями формы поверхности вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми), каждая камера имеет по выемке для установки впускного клапана, служащего для своевременного впуска определенного объема сжатого до требуемой степени сжатия воздуха или топливовоздушной смеси и источника воспламенения (форсунка или свеча зажигания), и выпускному окну; вал с двумя роторами, расположенными в рабочих камерах в противофазе друг к другу для распределения крутящих усилий роторов и балансировки масс, имеющие поверхности, подобные поверхностям рабочих камер с несколькими выемками в виде круглых полуколец с образованием в основании выступа формы усеченного конуса и с образованием между конусом и незатронутой снаружи частью ротора специального отверстия с сечением в виде полукольца, выбранными для создания максимального суммарного крутящего момента на валу двигателя, используя свойство газов при избыточном давлении в закрытом объеме оказывать равное, нормальное (перпендикулярное к поверхности) давление на любую точку поверхности этого объема и большие выборки для использования ротора как лопасти вентилятора рабочей камеры; систему уплотнений, включающую уплотнения роторов, состоящие из компрессионных и маслосъемных колец, надетых на специальные съемные замки, закрепляемые к торцам и специальным выступам роторов, подпружиненных полуколец, вставленных в пазы роторов, выполненные по линиям сопряжений вращающегося овала, концы полуколец своими уступами заправлены под первые из сдвоенных компрессионных колец, и неподвижные уплотнения разъема рабочих камер и вала.
Именно выполнение в двигателе рабочих камер с поверхностями в форме вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми) с выемками в каждой камере для установки впускного клапана, служащего для своевременного впуска определенного объема сжатого до требуемой степени сжатия воздуха или топливовоздушной смеси и источника воспламенения (форсунка или свеча зажигания); вала с двумя роторами, расположенными в рабочих камерах и в противофазе друг к другу для распределения крутящих усилий роторов и балансировки масс, имеющие поверхности, подобные поверхностям рабочих камер с несколькими выемками в виде круглых полуколец с образованием в основании выступа формы усеченного конуса и с образованием между конусом и незатронутой снаружи частью ротора специального отверстия с сечением формой в виде полукольца, выбранными для создания максимального суммарного крутящего момента на валу двигателя, используя свойство газов при избыточном давлении в закрытом объеме оказывать равное, нормальное (перпендикулярное к поверхности) давление на любую точку поверхности этого объема и большие выборки для использования ротора как лопасти вентиляторов рабочих камер; уплотнения роторов, состоящие из компрессионных и маслосъемных колец, надетых на специальные съемные замки, закрепляемые к торцам и специальным выступам роторов, подпружиненных полуколец, вставленных в пазы роторов, выполненные по линиям сопряжений вращающегося овала, концы полуколец своими уступами заправлены под первые из сдвоенных компрессионных колец, отличает заявленное техническое решение от прототипов и обуславливает соответствие этого решения критерию «новизна».
Из уровня техники не известны роторные двигатели внутреннего сгорания, имеющие все перечисленные элементы заявленного технического решения, что доказывает соответствие этого решения критерию «изобретательский уровень».
Выполнение поверхностей рабочих камер и роторов в форме поверхностей вращающегося овала, два ротора, установленные в рабочих камерах и на валу в противофазе друг к другу для распределения крутящих усилий на валу двигателя и балансировки масс с постоянными конструктивными зазорами до стенок камер, уплотнения роторов, состоящие из компрессионных и маслосъемных колец, надетых на специальные съемные замки, закрепляемые к торцам и специальным выступам роторов, подпружиненных полуколец, вставленных в пазы роторов, выполненные по линиям сопряжений вращающегося овала, концы полуколец своими уступами заправлены под первые из сдвоенных компрессионных колец, упростили конструкцию двигателя в целом, повысили герметичность рабочих объемов, что снизит потери рабочего тела и улучшит мощностные и экологические показатели двигателя, доказывая соответствие заявленного технического решения критерию «промышленная применимость».
На фиг.1 показан двигатель, поперечный разрез (положение элементов двигателя при фазе «Впуск»); на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, продольный разрез; 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 в форме поверхностей вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми) с выемками 3 в каждой камере для установки впускного клапана 4, служащего для своевременного впуска определенного объема сжатого до требуемой степени сжатия воздуха или топливовоздушной смеси и источника воспламенения 5 (форсунка или свеча зажигания), вал 7 с двумя роторами 6, расположенными в рабочих камерах, и установленные в противофазе друг к другу для распределения крутящих усилий роторов и балансировки масс, имеющие поверхности, подобные поверхностям рабочих камер с выемками 8 в виде круглых полуколец с образованием в основании выступа в форме усеченного конуса и с образованием между конусом и нетронутой снаружи частью ротора специального отверстия 10 с сечением в виде полукольца, выбранными для создания максимального суммарного крутящего момента на валу двигателя, используя свойство газов при избыточном давлении в закрытом объеме оказывать равное, нормальное (перпендикулярное к поверхности) давление на любую точку поверхности этого объема, канала 9, соединяющего все выемки ротора, большие выборки для использования ротора, как лопасти вентиляторов рабочих камер, выпускные окна 11, уплотнения роторов, состоящие из компрессионных 12 и маслосъемных 13 колец, надетых на специальные съемные замки 14, закрепляемые к торцам и специальным выступам роторов, подпружиненных полуколец 15, вставленных в пазы 16 роторов, выполненные по линиям сопряжений вращающегося овала между торцами роторов, концы полуколец своими уступами заправлены под первые из сдвоенных копрессионных колец и неподвижные уплотнения 17 разъемов рабочих камер.
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 в рабочей камере для впускного клапана и источника 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°. Впуск закончен.
Рабочий ход (вторая фаза).
Начинается с впрыска форсункой топлива или же с зажигания искры свечой зажигания, т.е. со вспышки топлива и начала термодинамического процесса в закрытом, постоянном объеме камеры сгорания. Высокая температура газов при сгорании топлива создает высокое давление на поверхностях нескольких выемок ротора в виде круглых полуколец с образованием в основании выступа формы усеченного конуса и с образованием между конусом и незатронутой снаружи частью ротора специального отверстия с сечением в виде полукольца, создают максимальный суммарный крутящий момент на валу двигателя. Ротор под почти постоянным по величине давлением газов поворачивается на 140° до подхода начала выемки ротора к выхлопному окну. Рабочий ход закончен.
Выпуск - вентиляция (третья фаза).
Сгоревшие газы выходят через выхлопное окно в атмосферу. Выступ ротора как лопасть вентилятора выгоняет отработанный газ из рабочей камеры. Ротор поворачивается на 195°. Фаза «Выпуск - вентиляция» закончена.
Рабочий цикл второго ротора проходит с отставанием на 180°. Расчет крутящих моментов производится подсчетом крутящих моментов каждой поверхности выемки ротора по формуле:
где
к - количество выемок в роторе; с - степень сжатия; q - удельное давление газов в выемке ротора; Sn - площадь n-ой поверхности выемки; tn - плечо, расстояние от результирующего вектора сил давлений на поверхности выемки до оси вала.
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 повернутыми на 180° друг относительно друга, отличающийся тем, что поверхности рабочих камер и роторов имеют форму поверхности вращающегося овала (овал - две полуокружности, соединенные прямыми), роторы имеют на поверхности выемки с отверстиями и каналами для создания максимального крутящего момента на валу двигателя и выступы, а система уплотнений содержит закрепленные к торцам и выступам ротора съемные замки, на которые надеты маслосъемные и сдвоенные компрессионные кольца, а также подпружиненные полукольца, вставленные в пазы ротора, выполненные по линиям сопряжения овала, при этом концы полуколец заправлены своими уступами под первые из сдвоенных компрессионных колец.
