Роторный дизельный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение направлено на повышение кпд, мощности, надежности и экологической чистоты двигателя. Роторный дизельный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус с двумя диаметрально симметричными профилированными рабочими полостями, выходной вал, жестко связанный с цилиндрическим ротором, имеющим два профильных паза, в которых на осях, параллельных оси вращения ротора, закреплены поршни, совершающие качающие движения, две торцевые крышки, в одной из которых выполнены два окна, сопряженных с началом каждой рабочей полости для всасывания заряда воздуха, и два окна, сопряженных с концом каждой рабочей полости для выхлопа отработанных газов. Две камеры сгорания, каждая из которых имеет вид двух сопряженных цилиндрических полостей, расположены в корпусе двигателя параллельно оси вращения ротора так, что каждое из их впускных окон прямоугольной формы сопряжено с концом одной рабочей полости, а каждое из их выпускных окон сопряжено с началом другой рабочей полости. Каждое впускное окно со стороны камеры сгорания закрывается клапаном, имеющим форму изогнутой пластины, которая своей цилиндрической поверхностью сопрягается без зазора с цилиндрической поверхностью камеры сгорания вокруг окна, а своей выступающей частью входит с зазором в полость окна путем поворота на оси, параллельной оси цилиндрической полости камеры сгорания и смещенной к ее стенке. Каждое выпускное окно перекрывается клапаном, имеющим вид двух диаметрально симметричных сегментов цилиндра, снабженных уплотнительными элементами, конструкция которых обеспечивает сопряжение без зазора с поверхностью камеры сгорания, путем поворота на оси вращения, совмещенной с осью цилиндрической части камеры сгорания, в которой он расположен. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания роторного типа.

Известен роторный двигатель, содержащий корпус с профилированной рабочей поверхностью, торцевые крышки, выходной вал, цилиндрический ротор с пазами, в которых на осях установлены поршни, контактирующие с поверхностью корпуса и образующие надпоршневые и подпоршневые объемы, причем камеры сгорания находятся внутри поршней и снабжены перепускным клапаном с обратным клапаном, систему газообмена с окнами в торцевой крышке и свечами зажигания с возможностью сообщения окон с подпоршневыми объемами, а свечей - с камерами сгорания (а.с. СССР №1017803, опубл. 15.05.1983 г.).

Недостатками этого двигателя являются невысокий кпд, сложность конструкции, ненадежность в работе. Причинами являются небольшая степень сжатия заряда, низкая технологичность конструкции из-за наличия внутренних полостей и расположения в них сборных элементов, наличия пружин в зоне с высокой температурой.

Известен роторный двигатель, содержащий корпус с профилированной рабочей поверхностью, цилиндрический ротор, установленный на валу и снабженный качающимися поршнями, в которых расположены камеры сгорания с подпружиненными обратными клапанами. Торцевые крышки имеют впускные отверстия с диффузорами, через которые воздух попадает в подпоршневое пространство, и выпускные отверстия для отработанных газов (патент РФ №2068106, опубл. 20.10.1996 г. - прототип).

Двигатель работает таким образом, что при вращении ротора всасывание заряда происходит в подпоршневое пространство при выходе поршня из паза ротора, сжатие и перепуск заряда в камеру сгорания - при входе поршня в паз ротора, затем его воспламенение, после чего при выходе поршня из паза ротора происходит рабочий ход.

Недостатками этого двигателя являются отсутствие клапана, закрывающего впускное отверстие, что приведет к выталкиванию заряда обратно вместо его сжатия, отсутствие внешнего воспламенения, без которого двигатель не будет работать, так как получаемая в нем степень сжатия заряда недостаточна для его самовоспламенения, сложность конструкции и ее нетехнологичность из-за наличия в роторе и поршнях внутренних полостей и расположенных в них деталей, а также наличия пружины в камере сгорания.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение кпд и снижение уровня токсических веществ в выхлопных газах, повышение надежности работы и улучшение технологичности конструкции, увеличение моторесурса.

Этот результат достигается тем, что в роторном дизельном двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с двумя диаметрально симметричными профилированными рабочими полостями, выходной вал, жестко связанный с цилиндрическим ротором, имеющим два профильных паза, в которых на осях, параллельных оси вращения ротора, закреплены поршни, совершающие качающие движения, две торцевые крышки, в одной из которых выполнены два окна, сопряженных с началом каждой рабочей полости для всасывания заряда воздуха, и два окна, сопряженных с концом каждой рабочей полости для выхлопа отработанных газов, две камеры сгорания, каждая из которых имеет вид двух сопряженных цилиндрических полостей, расположены в корпусе двигателя параллельно оси вращения ротора так, что каждое из их впускных окон прямоугольной формы сопряжено с концом одной рабочей полости, а каждое из их выпускных окон сопряжено с началом другой рабочей полости, причем каждое впускное окно со стороны камеры сгорания закрывается клапаном, имеющим форму изогнутой пластины, которая своей цилиндрической поверхностью сопрягается без зазора с цилиндрической поверхностью камеры сгорания вокруг окна, а своей выступающей частью входит с зазором в полость окна путем поворота на оси, параллельной оси цилиндрической полости камеры сгорания и смещенной к ее стенке, а каждое выпускное окно перекрывается клапаном, имеющим вид двух диаметрально симметричных сегментов цилиндра, снабженных уплотнительными элементами, конструкция которых обеспечивает сопряжение без зазора с поверхностью камеры сгорания путем поворота на оси вращения, совмещенной с осью цилиндрической части камеры сгорания, в которой он расположен.

Может иметься механизм изменения степени сжатия, состоящий из болвана, вводимого в камеру сгорания, и привода для его введения.

Конструкцией двигателя обеспечивается высокая геометрическая степень сжатия заряда воздуха и возможность ее изменения во время работы путем уменьшения объема камеры сгорания введением в нее конструктивного элемента - "болвана" с помощью специального привода. Геометрическая форма болвана может быть любой, а направление введения либо вдоль оси клапана со стороны крышки, либо перпендикулярно оси в подклапанное пространство через корпус двигателя. Расчетная геометрическая степень сжатия заряда воздуха (без учета повышения давления турбиной наддува) составляет 15,7, а при полностью введенном в камеру сгорания болване - 23 и может быть изменена на стадии проектирования. При введенном болване двигатель гарантированно запускается и в дальнейшем надежно работает в различных вариантах (с турбиной или без турбины, с болваном или без него) в зависимости от необходимой мощности или в случае поломки. Расчет показал, что крутящий момент двигателя на 40% превышает крутящий момент кривошипно-шатунного двигателя применительно к одному поршню при равных условиях (одинаковый объем рабочей камеры, одна степень сжатия, один тип горючего) за один рабочий ход. Остаточное давление выхлопных газов используется для вращения турбины наддува, сидящей на валу в подшипниках и не использующей его энергию. Сгорание топлива происходит наиболее полно, так как осуществляется в камере постоянного объема, при этом обеспечивается необходимое время для его полного сгорания и необходимый коэффициент избытка воздуха. Потери тепла в камере сгорания и связанное с ними снижение давления будут меньшими, чем в даже наиболее распространенных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, так как соотношение объема камеры и ее площади поверхности является лучшим. Выходной вал с ротором не испытывают радиальных нагрузок от давления газов, так как синхронная работа двух поршней их взаимно нейтрализует. Это позволяет применить подшипники качения, что снижает силу трения в посадочных узлах. Для снижения трения смазка подведена непосредственно в зону контакта поршней с корпусом и ротора с корпусом, одновременно осуществляя их охлаждение. Важное отличие двигателя от аналогов состоит в том, что он работает в дизельном режиме с внутренним смесеобразованием при впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез двигателя, на фиг.2 - впускной клапан камеры сгорания в разрезе, на фиг.3 - выпускной клапан камеры сгорания в разрезе, на фиг.4 показан поршень.

Сущность изобретения: роторный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус 1, имеющий две профилированные рабочие полости 2, две камеры сгорания 9, выполненные в теле корпуса и расположенные диаметрально симметрично между рабочими полостями, и снабженный каналами 17 для охлаждающей жидкости. Цилиндрический ротор 3 с жестко связанным с ним выходным валом. Ротор имеет два профилированных паза, в которых расположены поршни 4, связанные с ротором пальцами 5 и имеющие возможность совершать качательные движения во время вращения ротора, при этом всегда находясь в контакте с корпусом 1 своими наконечниками 8. Ротор и поршни имеют каналы 19 для подвода смазки. Камеры сгорания имеют впускные 11 и выпускные 6 окна, соединяющиеся с рабочими полостями и перекрываемые клапанами, а также форсунки 16 для подачи топлива. В одной из двух торцевых крышек выполнены окна с клапанами для всасывания заряда воздуха и выпуска отработанных газов и отверстия для введения в камеры сгорания болванов 18. Турбина наддува приводится во вращение энергией выхлопных газов.

Двигатель работает следующим образом (описываемые ниже процессы происходят одновременно в двух рабочих полостях). При вращении ротора 3 поршень 4, поворачиваясь на пальце 5 от воздействия центробежной силы, своим наконечником 8 скользит по внутренней поверхности корпуса 1, хвостовиком всегда оставаясь в пазу ротора, и так делит рабочую полость на подпоршневое и надпоршневое пространства. В момент прохождения наконечником поршня 8 выпускного окна 6 камеры сгорания 9 клапан 7 открывает окно 6, и газы от сгоревшей смеси под большим давлением поступают в надпоршневое пространство, толкают поршень 4, создавая крутящий момент на роторе, то есть совершая рабочий ход. Во время рабочего хода в подпоршневом пространстве осуществляется сжатие свежего заряда воздуха, набранного в рабочую полость в предыдущем цикле. В тот момент, когда давление сжимаемого заряда превысит давление в надпоршневом пространстве и камере сгорания, автоматически открывается впускной клапан 10, и заряд заполняет камеру сгорания 9. Одновременно с открытием клапана 10 выпускной клапан 7 принудительно закрывается, и во время его закрытия происходит частичная продувка камеры сгорания от выхлопных газов. При прохождении наконечником поршня 8 зоны впускного окна 11 камеры сгорания 9 клапан 10 от возникающего перепада давления автоматически закрывается, герметизируя окно, при этом выступающая часть клапана входит в полость окна, уменьшая объем «мертвой зоны». В это же время клапанами 12 открываются выхлопные окна 13, и отработанные газы с остаточным давлением около пяти атмосфер поступают на лопасти турбины наддува, установленной в подшипниках на выходном валу. Таким образом, за пол-оборота ротора каждый поршень осуществил такт рабочего хода и такт сжатия заряда воздуха. Продолжая движение, поршень переходит в следующую рабочую полость, где своей внутренней поверхностью вытесняет выхлопные газы, давление которых к этому времени снижается до атмосферного, при этом в момент прохождения наконечником 8 зоны впускного окна 15 открывается клапан 14, и рабочая полость заполняется зарядом свежего воздуха, поступающего из турбины наддува. При прохождении наконечником 8 зоны расположения выхлопного окна 13 оно закрывается клапаном 12, а впускной клапан 14 закрывается в зоне выхода наконечника 8 из рабочей полости. В это же время происходит впрыск топлива через форсунку 16, точный момент впрыска зависит от скорости вращения ротора и рассчитывается так, чтобы к моменту подхода наконечника 8 к выпускному окну 6 камеры сгорания 9 все топливо успело сгореть и давление газов было максимальным. Далее наконечник 8 опять перемещается в следующую рабочую полость, и описанный цикл повторяется.

Таким образом, за вторые пол-оборота ротора каждый поршень осуществил такт выхлопа отработанных газов и такт всасывания свежего заряда. Введение болвана 18 в камеру сгорания 9 осуществляется своим приводом и не зависит от фазы цикла.

1. Роторный дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус с двумя диаметрально симметричными профилированными рабочими полостями, выходной вал, жестко связанный с цилиндрическим ротором, имеющим два профильных паза, в которых на осях, параллельных оси вращения ротора, закреплены поршни, совершающие качающие движения, две торцевые крышки, в одной из которых выполнены два окна, сопряженных с началом каждой рабочей полости для всасывания заряда воздуха, и два окна, сопряженных с концом каждой рабочей полости для выхлопа отработанных газов, отличающийся тем, что две камеры сгорания, каждая из которых имеет вид двух сопряженных цилиндрических полостей, расположены в корпусе двигателя параллельно оси вращения ротора так, что каждое из их впускных окон прямоугольной формы сопряжено с концом одной рабочей полости, а каждое из их выпускных окон сопряжено с началом другой рабочей полости, причем каждое впускное окно со стороны камеры сгорания закрывается клапаном, имеющим форму изогнутой пластины, которая своей цилиндрической поверхностью сопрягается без зазора с цилиндрической поверхностью камеры сгорания вокруг окна, а своей выступающей частью входит с зазором в полость окна путем поворота на оси, параллельной оси цилиндрической полости камеры сгорания и смещенной к ее стенке, а каждое выпускное окно перекрывается клапаном, имеющим вид двух диаметрально симметричных сегментов цилиндра, снабженных уплотнительными элементами, конструкция которых обеспечивает сопряжение без зазора с поверхностью камеры сгорания путем поворота на оси вращения, совмещенной с осью цилиндрической части камеры сгорания, в которой он расположен.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеется механизм изменения степени сжатия, состоящий из болвана, вводимого в камеру сгораниями, и привода для его введения.