Форкамерний роторно-поршневий двигун

Реферат: UA 86197 U UA 86197 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі двигунобудування, а саме до перетворювачів хімічної енергії палива в електричну та механічну енергії і може бути використаний як силова установка для споживачів, що використовують хімічну енергію палива як джерело енергії та електричну і механічну енергії для споживання. Прототипом корисної моделі є коловоротна машина, що містить циліндричний корпус з впускним і випускним вікнами, в якому встановлені, з можливістю обертання, циліндричний ротор з лопатями і кінематично пов'язані з ним ролики з виїмками, періодично взаємодіючі за допомогою останніх з лопатями і розділяють простір між корпусом і ротором на велику і меншу кільцеві порожнини ("Записки русскаго імператорскаго суспільства", 1885) в якому, в якості ротора і клапанних механізмів використані обертові циліндри прямокутних перерізів, на роторі з лопатками, а на клапанних механізмах - з вибірками під прохід заслінок. Недоліком даної конструкції, є проблеми з ущільненням робочої камери. Аналогом першим є роторний двигун з заслінками, розташованими в тілі ротора, в якому як замикаючий механізм робочого об'єму використані заслінки, що висуваються із ротора. Недоліком даної конструкції, є те, що заслінки відчувають великі навантаження на злам, мають малий ресурс, і не забезпечують достатню герметизацію робочого об'єму. Наприклад, двигун П. Девілля P. Deville), Т. Негре (G. Negre), двигун Ейхановского і Ван Дірн (Van Doorn), двигун Ротом (Rotom), A.П. Федорова, П.I. Паррі, П. Патеросона, двигун Сіма (Sima), або патент RU 2397326 виданий за заявкою 2009113120/06, 07.04.2009 на ім'я Галкін Олександр Миколайовича. Аналогом другим є роторний двигун з заслінками, що висуваються з корпусу, в якому заслінки проходять по ротору, на якому сформовано поршень. Недоліком даної конструкції, є те, що заслінки відчувають або великі навантаження на злам, або мають малий ресурс, або не забезпечують достатню герметизацію робочого об'єму. Наприклад двигун Колетт (Colettu), П.А. Кропачево, С.А. Апельтауна патент RU № 2338905. Відомі роторні двигуни внутрішнього згоряння (наприклад двигун Ванкеля), недоліками яких є поєднання ротора з валом відбору потужності крізь ексцентриковий механізм, що призводить до додаткового перегріву та зносу, великі складнощі в ущільненні камери згоряння, велика здатність до перегріву, неефективна камера згоряння, великі складнощі у виробництві. Відомий форкамерний роторний двигун внутрішнього згоряння Курнайкіна В.В. в якому застосований обертовий клапан для перекриття каналу від порожнини форкамери в робочу зону розширення робочого тіла, недоліками котрого є як відсутність умов для виконання роботи робочим тілом, внаслідок порушення логіки організації термодинамічної робочого процесу, так і застосування обертового клапана, який в силу постійного тертя при обертанні в процесі горіння робочої суміші буде мати обмежений ресурс роботи. Відомі інші конструкції роторно-поршневих двигунів, своєю кінематичною схемою заміщаючи роботу кривошипно-шатунного механізму обертання на ковзання, тобто не змінюючи принцип зняття корисної потужності з поршня. Також, відомі системи двигунів внутрішнього згоряння припускають подвійне перетворення енергії - хімічної енергії палива в механічну енергію руху. Недоліком всіх двигунів внутрішнього згоряння з кривошипно-шатунним механізмом, або його аналогом де виконується проста підміна обертальної роботи кривошипно-шатунного механізму ковзанням по робочих площинах механізмів відбору потужності є: а) організація процесу горіння паливоповітряної суміші відбувається дуже короткий час і в умовах нестачі окислювача, що призводить до викидів великої кількості викидів шкідливих речовин, б) рівність камер стиску і розширення, що призводить до нераціонального використання робочого тіла, в) кінематика кривошипно-шатунного механізму створює нераціональну систему відбору енергії робочого тіла, г) переваги від використання форкамери, яка поліпшує умови займання палива, не покриваються недоліками існуючої кінематичної схеми. В основу корисної моделі поставлено задачу створення ефективного пристрою для перетворення хімічної енергії палива в електричну та механічну енергію, шляхом створення форкамерного роторно-поршневого двигуна, в якому корисна енергія робочого тіла від термодинамічного процесу, що відбувається в форкамерній циліндро-поршневій групі, перетворюється на механічну енергію з максимальним обертовим моментом та суміщення в одному корпусі форкамерної циліндро-поршневої групи двигуна внутрішнього згоряння та обертальної електричної машини, за рахунок використання переваг циліндро-поршневої групи для зняття корисної енергії робочого тіла, одержуваного в результаті термодинамічного процесу згоряння палива, одержаного у форкамерній системі підготовки робочого тіла, та відсутності малоефективної проміжної ланки, у вигляді кривошипно-шатунного механізму, для отримання механічної енергії та генерації електричної енергії в обертальній електричній машині. 1 UA 86197 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Рішення поставленої задачі досягається тим, що форкамерний роторно-поршневий двигун, який являє собою роторну машину об'ємного витіснення, що містить корпус, поршні, заслінки, коромисла, ротор з електричною обмоткою, якір з електричною обмоткою, виконаний у вигляді форкамерної роторно-поршневої машини, який відрізняється тим, що робочий об'єм циліндра, усередині тороподібної порожнини, головний меридіан якої являє собою зрізаний овал, з розташованими усередині поршнями, які є сегментами такої тороподібної поверхні, формується за рахунок закриття клиноподібної заслінки, що рухається радіально до осі обертання ротора і перекриває тороїдальну порожнину циліндра на час робочого циклу. Робоче тіло, створюване в результаті організації термодинамічного процесу згоряння палива в форкамері через канал, що перекривається самим поршнем в процесі обертання, надходить у робочу порожнину циліндра. Заслінка що перекриває тороподібну порожнину циліндра управляється кулачковим механізмом, кінематично пов'язаним з ротором. Ротор містить електричні обмотки і є рухливим щодо картера. Якір містить електричні обмотки і є нерухомим щодо картера. Ротор і якір між собою формують електричну машину обертання. Пропонований форкамерний роторно-поршневий двигун призначений для роботи на попередньо стиснутих газоподібних паливі та окислювачі з метою перетворення хімічної енергії палива в електричну і механічну енергії. Пропонований форкамерний роторно-поршневий двигун побудований як суміщений форкамерний роторно-поршневий двигун внутрішнього згорання та електрична машина обертання. Пропонований форкамерний роторно-поршневий двигун позбавлений недоліків, властивих відомим роторно-поршневим двигунам внутрішнього згоряння, але використовує переваги відбору енергії робочого тіла - газу з надлишковим тиском в циліндро-поршневій групі. Форкамерний роторно-поршневий двигун являє собою роторну машину об'ємного витіснення, поршні якої розташовані по екватору тороподібної порожнини, (головний меридіан якої, являє собою зрізаний овал) циліндра, з розміщеною всередині ротора електричної машиною. Робоче тіло в машині формується у форкамері та може працювати всередині простору, створюваного між тороподібними циліндром і поршнем і керованою клиноподібною заслінкою, що перекриває тор по радіусу осі обертання, на час робочого циклу. Поршні можуть здійснювати круговий рух по екватору навколо осі обертання ротора, та виконувати роль випускних клапанів, що регулюють подачу робочого тіла до порожнини циліндру. Подальша суть пояснюється кресленнями, на яких зображено наступне: Фіг. 1 - Фронтальний розріз по АА Фіг. 2 - Фронтальний розріз по ВВ Фіг. 3 - Бічний розріз по DD (При відкритих заслонках) Фіг. 4 - Бічний розріз по DD (При закритих заслонках) Фіг. 5 - Положення поршнів, заслінок, клапанів та ротора при знаходженні контрольної точки Z=0° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по АА). Фіг. 6 - Положення штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=0° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по ВВ). Фіг. 7 - Положення поршнів, заслінок, штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=0° по радіальній осі першого поршня (Бічний розріз по DD). Фіг. 8 - Положення поршнів, заслінок, клапанів та ротора при знаходженні контрольної точки Z=10° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по AА). Фіг. 9 - Положення штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=10° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по ВВ). Фіг. 10 - Положення поршнів, заслінок, штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=10° по радіальній осі першого поршня (Бічний розріз по DD). Фіг. 11 - Положення поршнів, заслінок, клапанів та ротора при знаходженні контрольної точки Z=15° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по АA). Фіг. 12 - Положення штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=15° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по ВВ). Фіг. 13 - Положення поршнів, заслінок, штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=15° по радіальній осі першого поршня (Бічний розріз по DD). Фіг. 14 - Положення поршнів, заслінок, клапанів та ротора при знаходженні контрольної точки Z=156° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по АА). Фіг. 15 - Положення штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=156°по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по ВВ). Фіг. 16 - Положення поршнів, заслінок, штовхачів, кулачкового механізму та ротору при знаходженні контрольної точки Z=156° по радіальній осі першого поршня (Бічний розріз по DD). 2 UA 86197 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 17 - Положення поршнів, заслінок, клапанів та ротору при знаходженні контрольної точки Z=175° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по АА). Фіг. 15 - Положення штовхачів, кулачкового механізму та ротору при знаходженні контрольної точки Z=175° по радіальній осі першого поршня (Фронтальний розріз по ВВ). Фіг. 16 - Положення поршнів, заслінок, штовхачів, кулачкового механізму та ротора при знаходженні контрольної точки Z=156° по радіальній осі першого поршня (Бічний розріз пo DD). Перелік деталей запропонованої конструкції форкамерного роторного перетворювача: 1. Передня кришка. 2. Картер. 3. Задня кришка. 4. Поршень. 5. Заслінка. 6. Коромисло. 7. Поворотна пружина. 8. Штовхач. 9. Ротор. 10. Підшипник. 11. Підшипник. 12. Передній фланець. 13. Роторна обмотка. 14. Якір. 15. Якірна обмотка. 16. Щітковий механізм. 17. Підшипник. 18. Палець. 19. Клемник якоря. 20. Клемник ротора. 21. Кулачковий механізм. 22. Підшипник. 23. Ізолююча втулка. 24. Впускний клапан. 25. Форсунка прямого впорскування. 26. Свічка примусового іскрового запалення. 27. Порожнина циліндра. 28. Підшипник. 29. Палець. 30. Первинні продувні вікна. 31. Вторинні продувні вікна. 32. Форкамера з перепускним каналом у порожнину циліндра. Конструктивна схема для однороторного форкамерного роторно-поршневого двигуна з двома поршнями та електричною машиною обертання (див. Фіг. 1, 2, 3, 4). До картера 2 за допомогою болтових кріплень приєднана передня кришка 1 і задня кришка 3. Між кришкою 1 і картером 2 сформована порожнина циліндра 27 та форкамеру з перепускним каналом 32, в якій знаходяться впускний клапан 24, форсунка прямого впорскування 25 і свічка запалення 26. Усередині картера 2 знаходиться ротор 9, що обертається усередині картера на підшипниках 10, 11, 17, 22, 28. На роторі 9 розміщені передній фланець 12, поршні 4, роторна обмотка 13, колектор 29, кулачковий механізм 21. Усередині ротора через підшипники 22 і 28 розміщений якір 14, закріплений болтовим з'єднанням з кришкою 3. На якорі розташована обмотка 15, виводи якої через ізолюючу втулку 23 виходять на клемник якоря 19. Контроль положення ротора 9 і подача збудження на роторну обмотку 13 здійснюється через щітковий механізм 16, клеми якого виходять на клемник ротора 20. До картера 2 через палець 30 шарнірного з'єднання прикріплене коромисло 6, керуюче заслінкою 5, що рухається по пазах усередині картера 2 і кришки 1. Управління коромислом 6 здійснюється штовхачем 8 через палець 29 шарнірного з'єднання і поворотною пружиною 7. Коромисло 6 з'єднане з заслінкою 5 через палець 18. У передній кришці 1 і картері 2 знаходяться первинні продувні вікна 30 та вторинні продувні вікна 31. Принцип роботи форкамерного роторно-поршневого двигуна буде розглянутий на прикладі односекційного двигуна, причому приймаємо наступне: контрольна точка Z по радіальній осі першого поршня, поршень умовно займає сектор в 10°, кількість поршнів - 2, розташування поршнів - опозитне та відбувається він наступним чином: 3 UA 86197 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Положення ротора Z=0° (див. Фіг. 6, 7, 8, 9). Запуск. Електрична машина виконує роль двигуна запуску. Фіг. 5. Впускні клапана 24 відкриті. У форкамеру 32 надходить окислювач з надлишковим тиском. У циліндрі атмосферний тиск, крізь первинні продувні вікна 30 та вторинні продувні вікна 31 відбувається продувка порожнини циліндра 27. Заслінки 5 відкриті. Поршні 4 проходять під заслінками 5, перекриваючи перепускний канал з форкамери 32 до порожнини циліндра 27. Фіг. 6. Кулачки кулачкового механізму 21 утримують штовхачі 8 у верхньому положенні. Фіг. 7. Вид збоку у бічному розрізі процесів, описаних по Фіг. 7 і Фіг. 8. Положення ротора Z=10° (див. Фіг. 8, 9, 10). Початок роботи. Електрична машина виконує роль двигуна запуску. Фіг. 8. Заслінки 5 закриваються. Поршні 4 пройшли під заслінками 5. Закривається впускний клапан 24. Відкриваються форсунки прямого впорскування 25 - починається подача палива. У форкамері 32 починає формуватися паливно-окислювальна суміш. З продувних вікон 30 і 31 виштовхується підпоршневий газ. Фіг. 9. Штовхачі 8 перейшли в нижнє положення. Кулачки 21 пройшли повністю. Фіг. 10. Вид збоку у бічному розрізі процесів, описаних по Фіг. 11 і Фіг. 12. Положення ротора Z = від 15° до 156° (див. Фіг. 14, 15, 16, 17). Робота роторної частини. Електрична машина перемикається в режим генерації. Фіг. 11. Заслінки 5 та клапани 24 закриті. Свічка примусового іскрового запалювання 26 підпалює паливно-окислювальну суміш у форкамері 32. Паливо горить. Відбувається розширення робочого тіла, яке крізь перепускний канал форкамери надходить до порожнини циліндра 27. Поршні 4 чинять тиск на ротор 9, що обертаючись виконує роботу. З продувних вікон 30 та 31 виштовхується підпоршневий газ. На обмотки ротора 13 подається напруга збудження, на обмотках якоря 15 починається генерація електричної енергії. З переднього фланця 12 знімається крутний момент. Фіг. 12. Штовхачі 8 в нижньому положенні. Заслінки 5 закриті. Фіг. 13. Вид збоку у бічному розрізі процесів, описаних по Фіг. 15 і Фіг. 16. Положення ротора Z = від 15° до 156° (див. Фіг 14, 15, 16). Робота роторної частини. Електрична машина знаходиться в режимі генерації. Фіг. 14. Відкриваються первинні продувні вікна 31. Поршень 4 знаходиться проміж первинних 30 та вторинних 31 перепускних вікон. Тиск порівнюється з атмосферним, розвантажуючи заслінку. Заслінки 5 починають відкриватися. Паливо вигоріло. Ротор 9 рухається за інерцією. З продувних вікон 30 виштовхується підпоршневий газ. На обмотках ротора 13 напруга збудження, на обмотках якоря 15 відбувається генерація електричної енергії. З переднього фланця 12 знімається крутний момент інерції. Фіг. 15. Штовхачі 8 рухаються у верхньому напрямку. Фіг. 16. Вид збоку у розрізі процесів, описаних по Фіг. 14 і Фіг. 15. Положення ротора Z = від 156° до 180°(0°). Продувка. Фіг. 17. Відкриті продувні вікна 30 та 31, крізь які виштовхується відпрацьований газ. Відкриті впускний клапан 24 та перепускний канал форкамери, крізь які окислювач продуває форкамеру 32. Заслінки 5 відкриті. Поршні 4 проходять під заслінками 5. Фіг. 18. Кулачки кулачкового механізму 21 утримують штовхачі 8 у верхньому положенні. Фіг. 19. Вид збоку у розрізі процесів описаних по Фіг. 14 і Фіг. 15. До технічних переваг запропонованого форкамерного роторно-поршневого двигуна (у порівнянні з відомими), можна віднести наступне: 1. У силу того, що в даній кінематичній схемі енергія робочого тіла передається на вал найбільш раціональним способом - прямим важелем, дана машина має найбільший високий ККД. 2. У силу того, що форма робочої порожнини циліндра являє собою тор, одержаний в результаті обертання зрізаного овалу, забезпечення герметичності циліндро-поршневої групи легко забезпечується сигмавидними поршневими кільцями. 3. У силу того, що форма робочої порожнини циліндра являє собою тор, отриманий в результаті обертання зрізаного овалу, забезпечується висока швидкість замикання заслінкою робочої порожнини циліндра. 4. У силу того, що замикання робочої порожнини циліндра забезпечується клиноподібною заслінкою - легко забезпечується герметичність запірного механізму. 5. У силу того, що робоче тіло підготовляється в форкамері, є можливість організувати ефективний термодинамічний процес. 4 UA 86197 U 5 10 15 20 25 30 6. У силу того, що як випускний клапан для форкамери є сам поршень, а впускний клапан закритий під час горіння паливно-повітряної суміші, є можливість отримати високий ресурс клапанного механізму. 7. У силу того, що привід заслінки побудований по верхній поверхні ротора, можливо розташування усередині електричного генератора обертання. 8. У силу того, що до моменту приходу поршня до заслінки, тиск у камері згоряння зрівнюється з атмосферним з обох сторін, можливе забезпечення високої довговічності замикаючого механізму. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Форкамерний роторно-поршневий двигун, що являє собою роторну машину об'ємного витіснення, що містить корпус, поршні, заслінки, коромисла, форсунки, свічки примусового запалювання, ротор з електричною обмоткою, якір з електричною обмоткою, виконаний у вигляді роторно-поршневої машини, який відрізняється тим, що робочий об'єм циліндра, усередині тороподібної порожнини, головний меридіан якої являє собою зрізаний овал, з розташованими усередині поршнями, які є сегментами такої тороподібної поверхні, формується за рахунок закриття клиноподібної заслінки, що рухається радіально до осі обертання ротора і перекриває тороїдальну порожнину циліндра на час робочого циклу. 2. Форкамерний роторно-поршневий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що робоче тіло формується примусовим запалюванням паливно-окисної суміші в форкамері, що має впускний клапан і випускне вікно в порожнину циліндра. 3. Форкамерний роторно-поршневий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що заслінка є клиновидною та виконана з можливістю керування кулачковим механізмом, кінематично пов'язаним з ротором. 4. Форкамерний роторно-поршневий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що ротор містить електричні обмотки і є рухливим щодо картера. 5. Форкамерний роторно-поршневий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що якір містить електричні обмотки і є нерухомим щодо картера. 6. Форкамерний роторно-поршневий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що ротор і якір між собою формують електричну машину обертання. 5 UA 86197 U 6 UA 86197 U 7 UA 86197 U 8 UA 86197 U 9 UA 86197 U 10 UA 86197 U 11 UA 86197 U 12 UA 86197 U 13 UA 86197 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 14