Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння в.і. романова

Реферат: Винахід належить до роторно-поршневих двигунів. Заявлений двигун внутрішнього згорання містить силовий ротор 5 з круговими поршнями 6, сполучений з ведучим валом 7. Ротор 5 розміщений у циліндричному корпусі 1 з вікнами для газообміну 11 та 12. Корпус 1 має щонайменше два протилежно розміщені циліндричні гнізда 3 та 4 з розміщеними у них розділовими роторами 8 та 9. Привід останніх і синхронізація кутових швидкостей з ротором 5 здійснюється від вала 7 через синхронізуючі шестерні 13. Принаймні в одному з розділових роторів поміщено камеру згорання 10. Винахід сприяє підвищенню ККД, зменшенню маси і габаритів роторно-поршневого двигуна. UA 105808 C2 (12) UA 105808 C2 UA 105808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі машинобудування і може бути використаним при розробці транспортних і енергетичних двигунів у класі потужностей від 100 до 5000 кВт. Є відомою конструкція роторно-поршневого двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) Ф. Ванкеля для автомобільного транспорта [1]. Недоліком цього пристрою ДВЗ є особливість роботи ущільнень радіальних проміжків ротора трикутної форми і статора, виконаного у формі епітрохоїди. Ущільнення на вершинах ротора торкаються статора під кутами, що постійно змінюються, що призводить до великих навантажень на їх грані, інтенсивному зносу і до зменшення ККД і ресурсу ДВЗ. Крім того, ці ущільнення працюють в умовах обмеженого змащення і поганого тепловідводу, для їх змащення доводиться додатково упорскувати мастило прямо у впускний колектор, що веде до погіршення екологічних характеристик і підвищеної витрати паливно-мастильних матеріалів. Камера згоряння ДВЗ Ф. Ванкеля має в плані форму вузького серпа. Тому при тому ж об'ємі, що і у циліндричній камері згоряння звичайного ДВЗ, площа її поверхні набагато більше і, як наслідок, великі втрати теплоти з тепловіддачею в стінку і велика теплонавантаженість камери згоряння. Серповидна форма камери згоряння ДВЗ Ф. Ванкеля не дозволяє організувати вихрове наповнення свіжим зарядом паливоповітряної суміші, що призводить до зменшення повноти згоряння палива, погіршенню ККД і екологічних характеристик ДВЗ. З'єднання ротора ДВЗ Ф. Ванкеля з силовим валом через ексцентриковий механізм створює тиск між поверхнями, що труться, що у поєднанні з високою температурою призводить до додаткового зносу і нагріву деталей роторних статорів ДВЗ, що знижує ресурс і надійність ДВЗ. Відомий також пристрій роторно-поршневого ДВЗ з овальним поршнем, що обертається та напрямлено переміщається в овальній камері, описаний у Патенті на винахід RU 2344296 С2, МПК F01С 1/22, F01С 19/04, 1996. Суть цього винаходу зводиться до усунення проблеми ущільнень радіального проміжку ротора і статора за рахунок побудови ротора і статора у формі овалів, які при утворенні робочих порожнин стикаються один з одним по деякій поверхні. Недоліками цього пристрою є технологічна складність виготовлення статора і ротора складної форми зі зносостійкою робочою поверхнею, складність механізму передачі потужності від ротора на силовий вал, неефективна для забезпечення високого ККД і добрих екологічних характеристик конфігурація камери згоряння. У заявці на винахід RU 94032463A1, МПК F02B53/00, 1996 описаний пристрій роторнопоршневого ДВЗ із статором і ротором циліндричної форми. При цьому вісь обертання ротора не співпадає з віссю статора і в роторі розташовані рухливі в радіальному напрямі лопаті. Суть винаходу зводиться до усунення проблеми передачі потужності від ротора на силовий вал за рахунок безпосереднього з'єднання ротора з силовим валом і створення високотехнологічної конструкції. Недоліками цього пристрою є ненадійність рухливих в радіальному напрямі лопатей, неефективна для забезпечення високого ККД і хороших екологічних характеристик конфігурації камери згорання. Як прототип прийнятий пристрій роторно-поршневого ДВЗ секторно-кільцевої компоновки конструкції І. Ісаєва [Роторний двигун конструкції І. Ісаєва. Сайт: www. rotor-motor.ru, 2011 г.]. Ця конструкція роторно-поршневого ДВЗ містить силовий ротор з круговими поршнями, розміщений у циліндричному корпусі, що має постійно відкриті вікна для газообміну. У корпусі діаметрально протилежно розміщено щонайменше два циліндричні гнізда, в яких поміщені розділові ротори. Поверхні силового ротора з круговими поршнями, циліндричного корпусу і розділових роторів утворюють зігнуті по дузі кола циліндри всмоктування-стискування і робочого ходу-вихлопу. Привід споживача потужності здійснюється від вала силового ротора. Привід розділових роторів здійснюється від вала силового ротора через синхронізуючі шестерні. У силовому роторі встановлені камери згоряння, що сполучаються з циліндрами "всмоктування-стискування" і "робочого ходу-вихлопу" так, щоб продукти згоряння подавалися в циліндр "робочого ходу-вихлопу » ходу руху за круговими поршнями. Приведений пристрій роторно-поршневого ДВЗ має наступні недоліки: - відносно великий радіальний проміжок кругових поршнів силового ротора, що зменшує виконувану корисну роботу і ККД; - відсутня система охолодження гарячих частин конструктивних елементів, що приводить до температурних деформацій елементів роторів, корпусу і супроводжується локальними зменшеннями проміжків в рухомих елементах, їх заклинюванням і, кінець кінцем, веде до поломки; - підведення і відведення робочого тіла в камері згоряння, що обертається з силовим ротором, забезпечується складною конфігурацією транспортних каналів з великими втратами повного тиску, що зменшує виконувану корисну роботу і ККД; 1 UA 105808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - складність конструкції, що реалізовує займання паливно-повітряної суміші в камері згорання, яка обертається з силовим ротором; - розташування камери згорання на силовому роторі, що обертається, не дозволяє організувати процес підведення тепла в термодинамічний цикл з високим значенням коефіцієнта повноти згоряння палива. У винаході, який заявляється, вирішується задача створення пристрою енергетичного ДВЗ в класі потужностей 100-5000 кВт з високим ККД, малими шкідливими викидами, невеликої маси і габаритів, суттєвого ресурсу і підвищеної експлуатаційної надійності. Задача вирішується тим, що у відомому пристрої роторно-поршневого ДВЗ, що містить силовий ротор з круговими поршнями, сполучений через вал зі споживачем потужності і розміщений в циліндричному корпусі з постійно відкритими вікнами для газообміну, який містить щонайменше два протилежно розміщені циліндричні гнізда з поміщеними в них розділовими роторами, один з яких є ротором впуску - випуску і привід яких, а також синхронізація кутових швидкостей здійснюється від валу силового ротора через синхронізуючі шестерні, а поверхні силового ротора, циліндричного корпусу і розділових роторів утворюють вигнуті по дузі кола циліндри "всмоктування - стискування" і "робочого ходу-вихлопу", згідно з винаходом, камера згорання поміщена щонайменше в одному з розділових роторів і утворена поверхнею виїмки розділового ротора і задньою по ходу обертання поверхнею кругового поршня силового ротора, причому профілі кругових поршнів і виїмок розділових роторів утворені так, що ребра виїмок розділових роторів торкаються поверхні кругових поршнів без проміжків, а виїмки розділових роторів доповнені внутрішніми криволінійними каналами перепускання робочого тіла з передньої сторони кругових поршнів на їх задню по ходу обертання сторону, корпус, кругові поршні силового ротора і розділові ротори забезпечені охолоджувачами і ущільнені радіальними і торцевими підпружиненими пластинами, при цьому корпус циліндричного гнізда розділового ротора з камерою згоряння і розділовий ротор "впускання-випускання" забезпечені каналами повернення робочого тіла в циліндр "робочого ходу-вихлопу". Новизна пропонованого пристрою роторно-поршневого ДВЗ полягає в наявності наступних сукупностей відмітних ознак: - камера згоряння поміщена в розділовому роторі; - кругові поршні і виїмки розділових роторів спрофільовані так, що ребра виїмок торкаються поверхні кругових поршнів без проміжків; - виїмка розділового ротора з камерою згоряння доповнена криволінійним каналом перепускання; - виїмка розділового ротора "впускання-випуску" доповнена криволінійним каналом перепускання; - корпус, кругові поршні силового ротора і розділові ротори забезпечені охолоджувачами; - кругові поршні ущільнені радіальними і торцевими підпружиненими пластинами; - корпус циліндричного гнізда розділового ротора з камерою згоряння забезпечений каналом повернення робочого тіла в циліндр "робочого ходу-вихлопу"; - розділовий ротор "впускання-випускання" забезпечений каналом повернення робочого тіла в циліндр "робочого ходу-вихлопу". Камера згоряння, поміщена в розділовому роторі, в поперечному перерізі в період займання паливно-повітряної суміші має форму, близьку до півкола. Тому по відношенню "поверхняоб'єм" вона значно виграє у ДВЗ, розглянутих в аналогічних пристроях, що свідчить про меншу теплонавантаженість камери згоряння. Цьому сприяє і відведення тепла від камери згоряння, організоване через консольний вал розділового ротора. Відмічені особливості конструкції сприяють підвищенню ресурсу і експлуатаційної надійності пропонованого ДВЗ. Камера згоряння, поміщена в розділовому роторі з виїмкою, доповненою криволінійним каналом перепускання робочого тіла з передньої сторони кругового поршня на задню по ходу обертання сторону, дозволяє організувати вихрове наповнення камери згоряння свіжим зарядом паливно-повітряної суміші. Не призводить до поліпшення повноти згоряння палива, збільшенню ККД ДВЗ і зменшенню шкідливих викидів з газами, що відходять. Підпружинені радіальні і торцеві ущільнення кругових поршнів силового ротора дозволяють звести практично до нуля перетікання робочого тіла через радіальні і торцеві проміжки циліндрів "всмоктування - стискування" і "робочого ходу-вихлопу" і забезпечити тим самим високий ККД процесів стискування і розширення, підвищити ККД ДВЗ в цілому і поліпшити екологічні характеристики. Пропонований ДВЗ, забезпечений охолоджувачами, що забезпечують рівномірний розподіл температур по матеріалу корпусу, кругових циліндрів, силового і розділових роторів, що. дозволяє звести до мінімуму температурні деформації, локальне зменшення проміжків в 2 UA 105808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рухливих елементах, виключити їх заклинки і поломки, що забезпечує підвищення ресурсу і експлуатаційної надійності ДВЗ. Спеціальна профілізація кругових поршнів силового ротора, виїмок і криволінійних каналів перепускань розділових роторів забезпечують мінімальні втрати повного тиску робочого тіла при течії в елементах ДВС, що збільшує виконувану корисну роботу і ККД ДВЗ. Забезпечення корпусу циліндричного гнізда розділового ротора з камерою згоряння каналом повернення робочого тіла в циліндр "робочого ходу-вихлопу" дозволяє більш повно використати енергію продуктів згоряння і звести до мінімуму закид продуктів згоряння у свіжий заряд паливно-повітряної суміші в камері згоряння, що збільшує ККД ДВЗ. Забезпечення розділового ротора "впускання-випускання" каналом повернення робочого тіла в циліндр "робочого ходу-вихлопу" дозволяє істотно зменшити паразитну роботу стискування робочого тіла круговим поршнем у виїмці розділового ротора і істотно понизити закид продуктів згоряння у свіжий заряд паливно-повітряної суміші в циліндрі "всмоктування стискування", що збільшує ККД ДВЗ. Циліндричні в поперечному перерізі форми корпусу, силового і розділового роторів, профілізація кругових поршнів силового ротора, виїмок і криволінійних каналів перепускання розділових роторів дугами кіл роблять конструкцію пропонованого ДВЗ технологічною, що сприяє зменшенню витрат на виробництво і скороченню вартості ДВЗ. На фіг. 1 зображений заявлений роторно-поршневий ДВЗ без торцевої кришки. На і фіг. 2 зображений вид по розрізу А - А. На фіг. 3 наведено взаєморозташування кругового поршня і розділового ротора з камерою згоряння у кінці процесу стискування паливно-повітряної суміші в циліндрі. На фіг. 4 наведено взаєморозташування кругового поршня і розділового ротора з камерою згоряння у момент початку перепускання паливно-повітряної суміші з передньої, сторони кругового поршня на задню по ходу обертання сторону. На фіг. 5 наведено взаєморозташування кругового поршня і розділового ротора з камерою згоряння в процесі перепускання паливно-повітряної суміші з передньої сторони кругового поршня на задню по ходу обертання сторону. На фіг. 6 наведено взаєморозташування кругового поршня і розділового ротора з камерою згоряння у момент кінця організації об'єму камери згоряння і займання паливно-повітряної суміші. Роторно-поршневий ДВЗ складається з корпусу 1 з кришкою 2, циліндричними гніздами 3, 4, силового ротора 5 з круговими поршнями 6 через вал 7, сполученого зі споживачем потужності, розділового ротора "впускання-випуску" 8 і розділового ротора 9 з камерою згоряння 10. Корпус 1 містить постійно відкриті вікна газообміну для впускання робочого тіла 11 і для випуску робочого тіла 12. Привід і синхронізація кутових швидкостей розділових роторів 8, 9 здійснюється, від вала силового ротора 5 через синхронізуючі шестерні 13. Поверхні силового ротора 5, циліндричного корпусу 1 і розділових роторів 8, 9 утворюють зігнуті по дузі кола циліндри "всмоктування - стискування" 14 і "робочого ходу - випуску" 15. Камера згоряння 10 поміщена в розділовому роторі 9 і утворена поверхнею виїмки 16 розділового ротора 9 і задньою по ходу обертання поверхнею кругового поршня силового ротора 6. Виїмка 16 розділового ротора 9 містить внутрішній криволінійний канал 17 перепускання робочого тіла з передньої сторони кругового поршня 6 на задню по ходу обертання сторону. Виїмка 18 розділового ротора 8 містить внутрішній криволінійний канал 19 перепускання робочого тіла з передньої сторони кругового поршня 6 на задню по ходу обертання сторону. Корпус циліндричного гнізда 3 розділового ротора з камерою згоряння забезпечений каналом 20 повернення робочого тіла в циліндр "робочого ходу - випуску" 15. Розділовий ротор 8 "впускання-випуску" забезпечений каналом 21 повернення робочого тіла в циліндр "робочого холу - вихлопу" 15. Кругові поршні 6 силового ротора 5 ущільнені радіальними і торцевими підпружиненими пластинами 22 і 23. Корпус 1 забезпечений охолоджувачем 24, кругові поршні 6 силового ротора 5 забезпечені охолоджувачами 25. Камера згорання 10 забезпечена пристроєм запалення паливно-повітряної суміші 26. Робота пропонованого роторно-поршневого ДВЗ описується послідовністю наступних процесів. 1. Процес наповнення циліндра свіжим зарядом. Кругові поршні 6 знаходяться в горизонтальному положенні (фіг. 1). Розділовий ротор 9 перекриває прохід паливно-повітряної суміші в камеру згоряння 10. Паливно-повітряна суміш через вікно впускання 11 надходить в циліндр 14. 2. Процес стискування паливно-повітряної суміші. При обертанні силового ротора 5 з круговими поршнями 6 за годинниковою стрілкою розділовий ротор 9 обертається таким чином, що прохід паливно-повітряної суміші в камеру згоряння 10 перекритий, а круговим поршнем 6 в циліндрі 14 здійснюється стискування 3 UA 105808 C2 5 10 15 20 25 30 35 паливно-повітряної суміші. Процес стискування триває до того моменту, поки круговий поршень 6 не перейде в положення входу у виїмку 16 розділового ротора 9 (фіг. 3), а уся стисна паливноповітряна суміш буде знаходиться у виїмці розділового ротора 9. 3. Процес організації об'єму камери згорання для займання паливно-повітряної суміші. При подальшому обертанні силового ротора 5 круговий поршень 6 входить у виїмку 16 розділового ротора 9 (фіг. 4), дещо дожимає паливно-повітряну суміш, відкриває внутрішній криволінійний канал 17, внаслідок чого починається перепускання паливно-повітряної суміші з передньої сторони кругового поршня 6 на задню по ходу обертання сторону (фіг. 5). Перепускання супроводжується генерацією вихорів в масі паливно-повітряної суміші. Перепускання триває до того моменту, поки круговий поршень 6 не перейде в положення виходу з внутрішнього криволінійного каналу 17 розділового ротора 9, Об'єм камери згоряння 10 достатній для займання паливно-повітряної суміші у цей момент, зборюється поверхнею виїмки 16 розділового ротора 9 і задньою по ходу обертання поверхнею кругового поршня 6. 4. Процес займання паливно-повітряної суміші. В мить, коли круговий поршень 6 виходить з внутрішнього криволінійного каналу 17, спрацьовує свічка запалення 26, паливно-повітряна суміш запалюється і утворюються продукти згоряння високого тиску і температури. 5. Процес розширення продуктів згоряння. Процес розширення продуктів згорання здійснюється в порожнині циліндра 15. Продукти згорання витікають з камери згоряння, розширюються, впливаючи на круговий поршень 6, який приводить в обертання силовий ротор 5 і через вал 7 - споживач потужності. У виїмці 16 розділового ротора 9 у момент руху кругового поршня 6 в циліндрі 15 можлива наявність деякої кількості залишкових продуктів згоряння високого тиску і температури. Через канал 20 корпусів циліндричного гнізда 3 здійснюється повернення залишкових продуктів згорання в циліндр 15. Процес розширення триває до того моменту, поки круговий поршень 6 не перейде в положення входу у вікно випуску робочого тіла 12. 6. Процес випуску продуктів згорання Процес випуску продуктів згоряння здійснюється через вікно випуску робочого тіла 12. Процес випуску продуктів згоряння розпочинається з моменту, коли круговий поршень 6 перетне межу входу у вікно випуску робочого тіла 12. Процес випуску продуктів згоряння завершується у той момент, коли круговий поршень 6 увійде до виїмки 18 розділового ротора 8. У виїмці 18 розділового ротора 8 у момент руху кругового поршня 6 можлива наявність деякої кількості залишкових продуктів згоряння. Через внутрішній криволінійний канал 19 робиться перепускання продуктів згоряння з передньої сторони кругового поршня 6 на задню по ходу обертання сторону і через канал 21 розділового ротора 8 здійснюється повернення залишкових продуктів згорання в циліндр 15 і далі у вікно випуску 12. Використання описаного винаходу дозволяє створювати пристрої енергетичного ДВЗ в класі потужностей 100-5000 кВт з високим ККД, малими шкідливими викидами, невеликої маси і габаритів, значного ресурсу і підвищеної експлуатаційної надійності. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить силовий ротор з круговими поршнями, сполучений через вал зі споживачем потужності і розміщений у циліндричному корпусі з вікнами для газообміну, що включає принаймні два протилежно розміщені циліндричні гнізда з поміщеними в них розділовими роторами, один з яких є ротором впуску-випуску, і привід яких, а також синхронізація кутових швидкостей, здійснюється від вала силового ротора через синхронізуючі шестерні, а поверхні силового ротора, циліндричного корпусу і розділових роторів утворюють зігнуті по дузі кола циліндри "всмоктування-стискування" і "робочого ходу-вихлопу", який відрізняється тим, що камера згоряння поміщена щонайменше в одному з розділових роторів і утворена поверхнею виїмки розділового ротора і задньою за рухом обертання поверхнею кругового поршня силового ротора, причому профілі кругових поршнів і виїмок розділових роторів утворені так, що ребра виїмок розділових роторів торкаються поверхні кругових поршнів без проміжків, а виїмки розділових роторів доповнені внутрішніми криволінійними каналами перепускання робочого тіла з передньої сторони кругових поршнів на їх задню за рухом обертання сторону, при цьому корпус, кругові поршні силового ротора і розділові ротори забезпечені охолоджувачами і ущільнені радіальними і торцевими підпружиненими пластинами, а корпус циліндричного гнізда розділового ротора з камерою згоряння і розділовий ротор "впускання-випускання" забезпечені каналами повернення робочого тіла в циліндр "робочий хід-вихлоп". 4 UA 105808 C2 5 UA 105808 C2 6 UA 105808 C2 7 UA 105808 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8