роторно-реактивный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

Роторно-реактивный двигатель внутреннего сгорания, работающий с турбокомпрессором, использующим энергию отработанных газов для подачи сжатого воздуха к входному отверстию двигателя, и состоящий из корпуса и ротора, скользящего по внутренней поверхности корпуса, систем питания и выпуска отработанных газов, соответствующие отверстия которых в корпусе направлены по ходу вращения ротора, а также систем воспламенения, смазки и охлаждения, отличающийся тем, что на валу ротора в продольном и радиальном направлениях равномерно установлены не менее трех лопаток, касающихся корпуса и образующих вместе с его внутренней поверхностью замкнутые в виде тел вращения постоянные объемы камер сгорания, количество которых равно числу лопаток, при этом впускное и выпускное отверстия выполнены таким образом, что при подаче рабочей смеси под необходимым давлением впускные отверстия ориентируют поток рабочей смеси по ходу вращения ротора, а выпускные отверстия направляют поток выхлопных газов в сторону, обратную вращению ротора.

Описание изобретения к патенту

В настоящее время широко известны три типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): 4-тактный двигатель Отто, двигатель Дизеля и двигатель Ванкеля. В четырехтактном двигателе возвратно-поступательное движение поршня относительно неподвижного цилиндра преобразуется во вращательное движение вала посредством кривошипно-шатунного механизма. При этом совершаются четыре такта:

1) всасывание рабочей смеси (воздух-бензин) за счет разряжения при увеличении объема камеры сгорания (поршень движется в нижнюю «мертвую» точку, клапан впуска рабочей смеси открыт, а клапан выпуска отработанных газов закрыт);

2) сжатие рабочей смеси при движении поршня в верхнюю «мертвую» точку (клапан впуска и клапан выпуска закрыты). В конце процесса сжатия производится зажигание рабочей смеси;

3) под действием газов горения рабочей смеси увеличивается объем камеры сгорания - газы совершают работу (поршень движется в нижнюю «мертвую» точку, оба клапана закрыты);

4) удаление продуктов горения рабочей смеси из камеры сгорания - поршень движется в сторону уменьшения объема камеры и выталкивает продукты горения через выпускное отверстие. Клапан выпуска открыт, а клапан впуска закрыт.

Каждому такту соответствует поворот вала на 180°.

Таким образом, на два оборота вала приходится один рабочий ход поршня, при котором совершается полезная работа.

Для увеличения мощности двигателя камеры сгорания объединяют в группы.

Существуют двух, четырех, шести и более цилиндровые двигатели.

Для обеспечения нормальной работы 4-тактные ДВС оснащаются системами газораспределения, подготовки рабочей смеси, ее зажигания, удаления отработанных газов, охлаждения и смазки.

В качестве топлива обычно используется бензин или специально подготовленная смесь горючих газов.

Основные недостатки 4-тактных ДВС. Их несколько.

Первый. Поршень совершает возвратно-поступательные движения. Чтобы передать валу импульс рабочего хода, поршень должен четыре раза разогнаться до скорости, исчисляемой десятками метров в секунду, и четыре раза остановиться.

Это приводит к существенным вибрациям и к повышенным нагрузкам на все основные элементы конструкции двигателя, а следовательно, к увеличению его веса и габаритов.

Второй. Требуется жесткая увязка момента воспламенения рабочей смеси с ходом поршня и временем открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Что также усложняет и утяжеляет конструкцию двигателя. Системы зажигания и газораспределения чаще всего являются причинами отказа в работе двигателя и поэтому требуют тщательного обслуживания.

Третий. Двигатель весьма восприимчив к качеству рабочей смеси. Раннее или позднее, а особенно самопроизвольное зажигание приводят к потере мощности, ударным нагрузкам и к неизбежным поломкам. Поэму в этих двигателях, как правило, используется высокооктановое, а следовательно, более дорогое горючее.

Несмотря на отмеченные недостатки, 4-тактные ДВС в настоящее время доведены до невообразимого совершенства и в различных модификациях широко используются в народном хозяйстве.

Новые идеи и технические решения, применяемые в современных 4-тактных ДВС, такие как компьютерное управление двигателем, инжекция горючего в засасываемый при впуске воздух, впрыск горючего в цилиндры, турбонаддув и др., с одной стороны, улучшают их технические характеристики, а с другой, усложняют конструкцию, делают ее более наукоемкой и более дорогой.

Двигатель Дизеля отличается от обычного 4-тактного ДВС отсутствием системы зажигания рабочей смеси. В нем за счет значительно большей степени сжатия происходит самовоспламенение рабочей смеси. При этом топливо подается непосредственно в рабочий объем цилиндра под давлением, создаваемым плунжерным насосом.

Таким образом, работая с повышенными давлениями, имеем более прочную, а следовательно, более тяжелую конструкцию двигателя, а вместо системы зажигания не менее сложную конструкцию - плунжерный насос.

Однако конструкция дизельного двигателя позволяет использовать более тяжелые, а следовательно, более дешевые продукты переработки нефти. Дизельные двигатели применяются там, где требуются большие мощности, а требования к весу двигателя не столь жесткие. В настоящее время дизельные двигатели проходят такую же стадию совершенствования, как и 4-тактные двигатели Отто, и это позволило их также широко использовать в народном хозяйстве.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПД) в значительной степени лишен отмеченных выше недостатков (журнал «Вокруг света», №3, 2004 г., стр.151). В корпусе, имеющем внутреннюю поверхность, выполненную по особой кривой-эпитрохоиде (напоминает овал), вращается без зазора ротор в форме равностороннего треугольника с выпуклыми в сторону корпуса сторонами. По центру ротора выполнено цилиндрическое отверстие с зубьями, входящими в постоянный контакт с шестерней, значительно меньшего диаметра и установленной по центру корпуса. При вращении ротор совершает планетарное движение вокруг этой шестерни, отсекая три разновеликих объема, в каждом из которых за один оборот ротора последовательно происходят процессы, характерные для 4-тактных ДВС: всасывание, сжатие с воспламенением, рабочий ход и выпуск. Фактически ротор выполняет функции поршня, а ограниченная его близлежащими гранями поверхность корпуса вместе с ротором - это «бегущая» по периметру корпуса камера сгорания. Роль кривошипно-шатунного механизма выполняет планетарное зубчатое соединение ротора и центральной шестерни, обеспечивающее вращающий момент ротору при рабочем ходе. В конструкции РПД отсутствует газораспределительный механизм, а число двигающихся деталей доведено до двух: эксцентриковый рабочий вал и посаженный на него трехгранный ротор.

Как видим, конструкция двигателя проста, имеет малые габариты и вес.

Отсутствие кривошипно-шатунного механизма и системы газораспределения позволяет значительно уменьшить силовые нагрузки на основные элементы конструкции двигателя и снизить уровень вибрации. В силу конструктивных особенностей двигатель менее чувствителен к качеству рабочей смеси; раннее или позднее зажигание мало влияет на его параметры. В РПД все четыре такта осуществляются за один оборот ротора, поэтому его мощность при одинаковом литраже не менее чем в два раза больше, чем у ДВС. Из литературных источников известно, что японская Mazda, используя новейшие материалы и технологии, создала двухсекционный «ванкель» с впечатляющими показателями: при рабочем объеме 2×0,654 л двигатель развивает мощность в 250 л.с. при 8500 об/мин.

Однако при всех своих преимуществах РПД не нашел широкого применения, так как имеет ряд принципиальных недостатков, а именно:

1. Трудно создать надежное уплотнение между ротором и трохоидальной цилиндрической поверхностью двигателя. Трохоидальная поверхность имеет два участка с отрицательной кривизной, поэтому уплотняющие элементы работают под постоянно изменяющимся углом в пределах ±25° и быстро изнашиваются.

2. Серьезные проблемы возникают и со смазкой трущихся поверхностей. Плохой контакт, а следовательно, и плохой теплоотвод от уплотняющего элемента в стенку корпуса приводят к перегреву масла, его закоксовыванию и остановке двигателя.

3. Охлаждение самого ротора и смазка зубчатого зацепления - тоже серьезная проблема; любая протечка масла приводит при его попадании в камеру сгорания к закоксовыванию и повышенному износу уплотняющих элементов. Износ зубчатого зацепления также ухудшает работу уплотняющих элементов.

4. Из-за необходимости выполнения цилиндрического отверстия большого диаметра по центру ротора ротор имеет значительные размеры и занимает порядка 70% внутреннего объема корпуса. Поэтому образованные им камеры сгорания имеют вытянутую, серповидную форму, особенно в момент горения рабочей смеси. Это затрудняет процесс горения и способствует увеличению теплопотерь в стенку корпуса, искажая адиабатику процесса горения. Результат: ухудшаются экономические и экологические показатели двигателя по сравнению с ДВС Отто.

5. Растянутая форма камеры сгорания РПД препятствует созданию высокой степени сжатия, необходимой для реализации дизельного цикла.

6. РПД имеет ограниченные возможности в смысле варьирования мощностью в широком диапазоне, так как имеет только три камеры сгорания. Увеличение мощности двигателя возможно за счет его масштабирования или секционности. Масштабирование имеет свои пределы, так как габариты и вес ротора существенно растут, что очень нежелательно при больших оборотах, присущих РПД. Секционирование - это усложнение всей конструкции двигателя. В ДВС Отто этот вопрос решается проще: за счет установки дополнительных камер сгорания. В связи с тем, что принцип работы двигателя Ванкеля и его конструктивное воплощение наиболее близко к предлагаемой конструкции роторно-реактивного ДВС, двигатель Ванкеля принят в качестве прототипа. Изобретение относится к области создания двигателя внутреннего сгорания. Технической задачей изобретения является разработка принципа работы двигателя внутреннего сгорания, позволяющего преодолеть недостатки РПД, и на его основе создать конструкции, превосходящие РПД по всем основным техническим показателям.

Задача решается за счет использования эффекта реактивной силы, возникающей при выпуске выхлопных газов в сторону, обратную вращения ротора. Конструкция роторно-реактивного двигателя представляет собой корпус, в который установлен ротор с равномерно расположенными на нем лопатками, закрепленными в продольном (осевом) направлении; при вращении ротора лопатки скользят по внутренней поверхности корпуса без зазора. Симметричный в радиальном направлении контур лопаток и их размеры могут варьироваться в широких пределах. Это простые геометрические фигуры: прямоугольник, трапеция, полуэллипс, полукруг и их возможные более сложные сочетания. Число лопаток тоже может варьироваться в широких пределах: от трех до разумного в конструктивном плане количества. Поэтому внутренняя поверхность корпуса - это поверхность тела вращения, симметричная относительно плоскости центрального поперечного сечения лопатки.

При вращении ротора две близлежащие лопатки вместе с корпусом образуют мерные объемы, создавая «бегущие» по периметру внутренней поверхности корпуса камеры сгорания. Количество камер сгорания равно числу лопаток. В корпусе симметрично относительно центральной плоскости поперечного сечения выполнены впускное и выпускное отверстия. Причем впускное отверстие направлено по ходу вращения ротора, а выпускное - в сторону, обратную его вращению. При относительно больших в продольном направлении размерах камеры сгорания возможна установка двух и более впускных и выпускных отверстий. Но и в этом случае их расположение на корпусе двигателя симметрично относительно центрального сечения двигателя. Такое их расположение способствует равномерному нагружению лопаток при набегающем потоке газов. При работе двигателя через впускное отверстие в камеру сгорания непрерывно подается под необходимым давлением или специально подготовленная, например, в карбюраторе или по принципу инжекции рабочая смесь воздуха и горючего или просто воздух в случае дизельного цикла.

В первом случае, за впускным отверстием по ходу вращения устанавливается устройство для зажигания рабочей смеси, например электрическая свеча. До момента зажигания, если это необходимо, в корпусе может быть помещено устройство для дополнительного впрыска топлива в камеру сгорания. Во втором случае, за впускным отверстием устанавливается одно или несколько устройств для впрыска топлива в количестве, необходимом для создания условий его самовоспламенения.

Подаваемая под давлением масса рабочей смеси или воздуха, ориентируемая впускным отверстием, давит на убегающую лопатку, сообщая ротору импульс, направленный в сторону его вращения. В связи с тем, что процесс горения рабочей смеси не увязан с работой каких-либо исполнительных механизмов, как это имеет место в 4-тактных двигателях внутреннего сгорания, в том числе и в двигателя Ванкеля, ее раннее или позднее зажигание, а также детонация не имеют существенного значения для нормальной работы РРД. Поэтому РРД менее чувствителен, чем двигатель Ванкеля, к качеству рабочей смеси. Появляется возможность использовать в качестве горючего практически все известные жидкие и газообразные топлива. Продукты горения рабочей смеси вращением ротора подаются к выпускному отверстию, которое направляет расширяющие выхлопные газы в сторону, обратную вращению ротора. Возникающая при этом реактивная сила давит на убегающую лопатку, заставляя ротор совершать работу. На чертеже показана принципиальная схема работы РРД для трехлопаточного ротора. В корпус 1 установлен ротор 4 с лопатками 3, 6, 8. Лопатки вместе с корпусом создают три равных объема - это камеры сгорания А, В, С. В корпусе выполнены впускное отверстие 7 и выпускное отверстие 5, отстоящие друг от друга на угол в 120°, а между ними по большой дуге установлено устройство для воспламенения рабочей смеси 2. Через впускное отверстие 7 подается под давлением рабочая смесь, которая ориентируется отверстием таким образом, что поток смеси давит на тыльную сторону лопатки 8. При этом камера сгорания А заполняется горючей смесью и поворачивается в направлении камеры В, занимая ее место. С помощью устройства 2 смесь поджигается и при дальнейшем вращении в направлении камеры С полностью сгорает. Когда лопатка 8 пересечет выпускное отверстие 5, продукты горения расширяются, устремляясь через это отверстие к выходу в атмосферу. Поток выхлопных газов ориентируется выпускным отверстием в сторону, обратную вращению ротора. Возникающая при этом реактивная сила давит на тыльную сторону лопатки 8, совершая полезную работу. Аналогичные циклы за один оборот ротора осуществляются и в камерах В и С. Для двигателя с большим числом лопаток принцип работы аналогичен. Контур и профиль выходного отверстия выбирается таким образом, чтобы импульс реактивной силы был максимальным из всех возможных вариантов. С увеличением размеров (мощности) двигателя выпускных отверстий может быть несколько. Такие же замечания можно отнести и к впускному отверстию. При этом необходимо учитывать турбулентность подаваемой в камеру сгорания рабочей смеси с таким расчетом, чтобы условия зажигания и горения были оптимальными. После выпускного отверстия газы обладают еще каким-то запасом энергии, который может быть использован, например, в турбокомпрессоре для подачи сжатого воздуха к карбюратору или непосредственно к входному отверстию двигателя. В двигателе камеры сгорания не меняют при вращении ротора свои объемы. Поэтому, если это будет необходимо, остающиеся в камере газы после прохождения выпускного отверстия могут быть удалены с помощью продувки камеры воздухом.

Описанный принцип работы роторно-реактивного двигателя существенно отличается от 4-тактного двигателя. Из-за постоянства объема камеры сгорания совмещены такты всасывания и последующего сжатия, а также такты рабочий ход и выпуск выхлопных газов. Это позволяет существенно упростить конструкцию двигателя, сделав ее компактной и быстроходной.

В двигателе только одна вращающаяся деталь-ротор (в двигателе Ванкеля их две). Уплотнение трущихся поверхностей организовать проще, например, если лопатка выполнена в виде полукруга; уплотняющие элементы работают в менее жестких условиях, чем в двигателе Ванкеля. Охлаждение ротора и трущихся поверхностей также значительно проще. Поэтому надежность и моторесурс в предлагаемом двигателе выше, чем в двигателе Ванкеля. Варьируя числом лопаток, их контуром и размерами, можно изменять мощность двигателя в широком диапазоне, а также оптимизировать термодинамику процесса горения за счет выбора оптимальной формы камеры сгорания и уменьшения времени нахождения в ней продуктов горения.

Мощность двигателя легко увеличить, идя по пути секционности, которую можно осуществить как в окружном, так и в продольном направлении. Для осуществления секционности в окружном направлении необходимо при относительно небольшом увеличении размеров и числа лопаток, симметрично ввести дополнительные впускные и выпускные отверстия. Секционность в продольном направлении практически идентична увеличению числа цилиндров 4-тактного двигателя. Возможны их комбинации.

Как видим, роторно-реактивный двигатель практически по всем параметрам выгодно отличается от роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Он более простой, легче в изготовлении, обладает большей мощностью на единицу веса и большей надежностью в эксплуатации.