Роторный двигатель

Роторный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, работающим как на легком, так и на тяжелом углеводородном топливе.

Роторные двигатели применяются на многих моделях автомобилей. См. табл.1.

Известен роторный двигатель, оборудованный устройством подготовки топливовоздушной смеси (Патент РФ №2288366, F02B 55/16, 2006.01). Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус, внутри которого расположен ротор, в тракте впуска смонтированы дроссельная заслонка и топливоподающее устройство (форсунка). Канал впускного тракта образован внутри корпуса роторного двигателя и огибает корпус. Подогрев топливовоздушной смеси осуществляется за счет теплопередачи от нагретых зон статора, улучшая таким образом эффективность процесса смесеобразования.

Недостатком данного роторного двигателя является значительное ухудшение свойств наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью, увеличивается площадь испарения остатков топлива при неработающем двигателе, что приводит к увеличению уровня содержания углеводорода - CH.

Известен также роторно-поршневой двигатель с впрыском топлива (Патент РФ №2172851, МПК F02B 55/16). Роторно-поршневой двигатель преимущественно с впрыском топлива, содержащий корпус (статор), внутри которого размещен ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка и форсунка для впрыска топлива, канал впускного тракта образован внутри корпуса.

Недостатком является невозможность обеспечения подготовки топливовоздушной смеси при работе на тяжелом углеводородном топливе (дизельное топливо, керосин) и его запуск.

Известен многотопливный роторный двигатель (патент РФ №2334883, от 27.09.2008, F02B 55/16), содержащий корпус (статор), внутри которого размещен трехгранный ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка, в тракте впуска за дроссельной заслонкой установлен плазменный конвертор топлива, снабженный резьбой и прикрепленный к посадочному месту тракта впуска.

Недостаток - невозможность обеспечения высокой скорости и полноты сгорания топливовоздушной смеси.

Известен роторный двигатель по патенту РФ №2416726, МПК F02B 53/02, опубл. 20.04.2011 г., прототип.

Этот роторный двигатель содержит корпус (статор), внутри которого размещен ротор, в тракте впуска смонтированную дроссельную заслонку, а за дроссельной заслонкой установлен плазменный конвертор топлива, позволяющий создавать топливовоздушную смесь с заданными физико-химическими свойствами для регулирования подготовки рабочей смеси и имеющий разделенную на две полости камеру сгорания, одна из которых, где расположены свечи зажигания, заполняется обогащенной смесью, а другая - обедненной смесью или чистым воздухом, на корпусе роторного двигателя в районе малой оси эпитрохоид установлена сферическая вихревая камера (форкамера), к которой жестко с помощью резьбы крепятся две свечи зажигания и топливная форсунка.

Недостаткам прототипа является низкая надежность двигателя и его малый ресурс до капитального ремонта, обусловленные износом уплотнений, работающих в тяжелых условия. Кроме того невозможно обеспечения высокой скорости и полноты сгорания топливовоздушной смеси. Не решена проблема глубокого расслоения заряда в основной камере сгорания. Невозможность использования сильно обедненной смеси. Все это приводит к достаточно высокой эмиссии вредных веществ в атмосферу, особенно на пониженных режимах работы двигателя.

Задачами создания предлагаемого изобретения является увеличение надежности и экономичности двигателя и снижение эмиссии вредных веществ в атмосферу.

Решение указанных задач достигнуто в роторном двигателе, содержащем систему управления с блоком управления, корпус, во внутренней полости которого размещен ротор с шестерней внутреннего зацепления, коленчатый вал с коренными и шатунной шейками, шестерню внешнего зацепления, установленную жестко на неподвижной втулке, выполненной коаксиально коренным шейкам коленчатого вала, камеру сгорания между корпусом и ротором, радиальные уплотнения ротора, патрубки впуска и выхлопа, размещенную в тракте впуска дроссельную заслонку, размещенную за ней первую форсунку впрыска топлива, при этом камера сгорания разделена на две полости - основную камеру сгорания и форкамеру, к которой крепится по меньшей мере одна свеча зажигания и вторая топливная форсунка, отличающемся тем, что согласно изобретению под радиальными уплотнениями выполнены полости, соединенные отверстиями с частью внутренней полости, ограниченной торцем ротора и шестерней внутреннего зацепления, между шестернями внутреннего и внешнего зацепления установлена форсунка подачи масла, соединенная с маслопроводом высокого давления, который в свою очередь соединен с выходом маслонасоса, а вход маслонасоса соединен с нижней частью внутренней полости. Форкамера может быть выполнена цилиндрической формы и установлена параллельно оси корпуса.

В системе управления может быть применен датчик частоты вращения коленчатого вала, соединенный электрической связью с блоком управления. В системе управления может быть применен датчик углового положения ротора, соединенный электрической связью с блоком управления.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…8, где:

на фиг.1 приведена схема двигателя, поперечный разрез,

на фиг.2 приведена схема системы смазки,

на фиг.3 приведена схема двигателя, продольный разрез,

на фиг.4 приведено уплотнение,

на фиг.5 приведен разрез А-А на фиг.4,

на фиг.6 приведена электрическая схема двигателя,

на фиг.7 приведена конструкция форкамеры,

на фиг.8 приведен разрез Б-Б.

Роторный двигатель (фиг.1…8) содержит: корпус (статор) 1, внутри которого расположен трехгранный ротор 2, патрубок впуска 3, жестко скрепленный с корпусом 1, в патрубке впуска 3 смонтированы дроссельная заслонка 4 и первая топливная форсунка 5, на корпусе 1 установлена сферическая форкамера 6, к которой жестко с помощью резьбы крепится по меньшей мере одна свеча зажигания 7 и вторая топливная форсунка 8. Свечи зажигания 7 установлены на входе в форкамеру 6, поскольку испытания показали, что это место является оптимальным для их размещения. Достижению лучших результатов способствует зажигание двумя свечами 7, расположенными друг против друга в форкамере 6, что значительно сократило путь пламени. Форкамера 6 отделена от основной камеры сгорания 9 роторного двигателя продольным сопловым отверстием 10. Продольное сопловое отверстие 10 выполнено под углом к корпусу 1 и наклонено в сторону вращения ротора 2.

Форкамера 6 выполнена цилиндрической формы и ее ось расположена параллельно оси двигателя (оси коленвала). Вторая топливная форсунка расположена тангенциально форкамере 6 (фиг.7 и 8).

Двигатель имеет полости сжатия 11 и выхлопной патрубок 12, соединенный отверстием 13 с полостями сжатия 11. На торце ротора 2 закреплена шестерня внутреннего зацепления 14, а на неподвижной втулке 15, установленной концентрично коленчатому валу 16, жестко закреплена шестерня внешнего зацепления 17. Шестерни 14 и 17 постоянно находятся в зацеплении. (фиг.1).

Внутри корпуса 1 выполнена внутренняя полость 18 (фиг.3). Внутренняя полость 18 состоит из трех частей: верхней 19, нижней 20, заполненной маслом, и центральной 21, ограниченной ротором 2 и шестерней внутреннего зацепления 14. Центральная полость 21 обеспечивает подачу масла в зону контакта ротора 2 и внутренней поверхности корпуса 1.

В роторе 2 в прямоугольных пазах 22 установлены уплотнения 23, подпружиненные к статору 1 при помощи пружин 24, установленных в полостях 25. В роторе 2 выполнены отверстия 26, сообщающие центральную полость 21 с тремя полостями 25 для смазывающей жидкости. Полость 22 продольными и поперечными каналами 27 и 28 для подачи смазки, выполненными на поверхности уплотнений 23 (фиг.4 и 5), сообщается с внутренней полостью 20. Уплотнения 23 имеют скругленный торец 29. На боковых торцах ротора 2 выполнены боковые уплотнения 30.

Топливная система содержит бак 31, трубопроводы низкого давления 32, насос низкого давления 33, к выходу которого подсоединена первая форсунка 5, насос высокого давления 34, к выходу из которого присоединена вторая форсунка 8.

Двигатель оборудован маслосистемой. Масло заправляется во внутреннюю полость 18. К нижней части полости 20 присоединен маслопровод низкого давления 35 насос 36, к выходу из которого присоединен маслопровод высокого давления 37 и фильтр 38. Выход маслопровода высокого давления 37 соединен с центральной полостью 21.

Двигатель может быть оборудован системой охлаждения (фиг.3 и 6), которая включает полость 39, к которой присоединен трубопровод 40, соединенный с насосом 41, к выходу которого присоединен трубопровод 42, к выходу из которого присоединен теплообменник 43, выход которого соединен с полостью 39 для возврата очищенного и охлажденной воды (антифриза).

Двигатель оборудован системой управления с блоком управления 44, соединенным электрическими связями 45 со свечами зажигания 7 и насосами 33, 34 и 36. Кроме того система управления оборудована датчиком частоты вращения 46 и датчиком углового положения 47 ротора 2, также соединенными электрическими связями 45 с блоком управления 44.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

В процессе работы роторного двигателя (фиг.1…6) воздух, проходя через впускной патрубок 3, и топливо, подаваемое через первую топливную форсунку 5, из бака 31 по топливному трубопроводу низкого давления 32 насосом низкого давления 33 подается в воздушный поток и смешивается с ним. Топливовоздушная смесь заданного состава подается в камеру сгорания 9, одновременно насосом высокого давления 34 через вторую топливную форсунку 8 в форкамеру 6 подается сильно обогащенная смесь такого состава, чтобы в результате ее смешения с обедненной смесью, поступающей из полости сжатия 11, в форкамере 6 образовалась богатая смесь состава α=0,6^--- 0,9, обеспечивающая наиболее благоприятные условия воспламенения и развития начального очага горения. Гарантированное искровое зажигание происходит посредством свечей 7, расположенных друг против друга в форкамере 6, что значительно сокращает путь пламени. Воспламенение смеси искрой свечей 7 осуществляется за 10^--- 25° угла поворота коленчатого вала до прихода трехгранного ротора 2 в верхнюю мертвую точку. Давление в форкамере 6 быстро повышается, и сгоревшие и еще продолжающие гореть активные пламенные газы выбрасываются с высокими скоростями в основную камеру сгорания 9.

На границах вытекающих факелов происходит энергичное смешение пламенных газов со смесью в основной камере 9, в результате чего она воспламеняется в ряде точек. Такое энергичное воспламенение в значительных объемах приводит к тому, что в основной камере 9 оказываются способными гореть с достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси при α=1,1^--- 1,9. Воспламеняются и значительно более бедные смеси, но достаточно быстрое их сгорание наблюдается лишь в зоне действия форкамерных факелов.

Регулярность воспламенения и скорость сгорания в форкамерах 6 оказываются исключительно высокими, причем интервал времени от момента проскакивания искры до достижения максимума давления в форкамере 6 при работе двигателя на полных и средних нагрузках не превышает 5^--- 6° угла поворота коленчатого вала. Это объясняется не только наличием в форкамере 6 обогащенной смеси, но и ее интенсивной мелкомасштабной турбулизацией, а также тем, что сгорание развивается в условиях небольшого полузамкнутого объема, что уменьшает рассеивание энергии искрового разряда свечей 7 и потери тепла на расширение. Давление в форкамере 6 быстро возрастает, продолжающие догорать газы выбрасываются с большой скоростью через сопловое отверстие 10.

Маслосистема работает следующим образом. Масло, заправленное во внутреннюю полость 18, смазывает все внутренние детали двигателя. Для смазки уплотнений 23 часть масла отбирается из нижней полости 20 по трубопроводу 35 и далее насосом 36 подается в трубопровод 37, далее фильтр 38, в среднюю полость 21, где центробежными силами отбрасывается в отверстия 26, далее - в полость 25 и по каналам 27 и 28 на скругленный торец 29 уплотнений 23.

Система охлаждения работает следующим образом.

Одновременно с запуском двигателя включают насос 41 и вода (антифриз) по трубопроводу 40 через насос 41 поступает в теплообменник 43 для охлаждения и далее возвращается в полость 39.

За счет применения электронного блока управления 44 с использованием микропроцессора (на фиг.1…8 микропроцессоры не показаны) можно выбирать оптимальные варианты подачи топливной смеси конвертором, изменять энергетику электрической дуги и количественные соотношения топлива и воздуха, что делает процесс смесеобразования топливовоздушной смеси регулируемым и эффективным на всех режимах работы роторного двигателя независимо от используемого углеводородного топлива. На малых нагрузках топливо впрыскивается только в форкамеру 6, а в основную камеру сгорания 9 подается чистый воздух. На больших нагрузках в основную камеру сгорания 9 поступает обедненная топливовоздушная смесь, подготовленная в патрубке впуска 3.

Применение изобретения позволило следующее.

1. Повысить надежность двигателя за счет улучшения смазки трущихся частей ротора и его уплотнений с корпусом.

2. Технико-экономическая эффективность заключается в том, что это приводит к существенной экономии топлива на частичных нагрузках при практически таком же его удельном расходе на максимальной мощности, как в аналогичном двигателе с обычным искровым зажиганием. Это достигнуто применением электронной системы управления и датчиков частоты вращения и углового положения ротора.

3. Существенно снижается токсичность отработавших газов, особенно на режиме малого газа, за счет применения форкамеры и ее особой конструкции, а также расположения второй топливной форсунки тангенциально оси цилиндрической форкамеры.

1. Роторный двигатель, содержащий систему управления с блоком управления, корпус, во внутренней полости которого размещен ротор с шестерней внутреннего зацепления, коленчатый вал с коренными и шатунной шейками, шестерню внешнего зацепления, установленную жестко на неподвижной втулке, выполненной коаксиально коренным шейкам коленчатого вала, камеру сгорания между корпусом и ротором, радиальные уплотнения ротора, патрубки впуска и выхлопа, размещенную в тракте впуска дроссельную заслонку, размещенную за ней первую форсунку впрыска топлива, при этом камера сгорания разделена на две полости: основную камеру сгорания и форкамеру, к которой крепится, по меньшей мере, одна свеча зажигания и вторая топливная форсунка, отличающийся тем, что под радиальными уплотнениями выполнены полости, соединенные отверстиями с частью внутренней полости, ограниченной торцем ротора и шестерней внутреннего зацепления, между шестернями внутреннего и внешнего зацепления установлена форсунка подачи масла, соединенная с маслопроводом высокого давления, который в свою очередь соединен с выходом маслонасоса, а вход маслонасоса соединен с нижней частью внутренней полости.

2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что форкамера выполнена цилиндрической формы и установлена параллельно оси корпуса.

3. Роторный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в системе управления применен датчик частоты вращения коленчатого вала, соединенный электрической связью с блоком управления.

4. Роторный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в системе управления применен датчик углового положения ротора, соединенный электрической связью с блоком управления.

5. Роторный двигатель по п.3, отличающийся тем, что в системе управления применен датчик углового положения ротора, соединенный электрической связью с блоком управления.