Роторно-поршневой двигатель
Использование: энергомашиностроение, тепловозостроение, судостроение, авиация, тракторе- и автомобилестроение. Задача: упрощение конструкции двигателя, повышение его надежности, уменьшение действия на двигатель внутренних неуравновешенных сил в процессе вращения ротора, экономия углеводородного топлива. Технический результат: исключение из двигателя элементов, движущихся возвратно-поступательно относительно ротора, устранение эксцентриситета ротора относительно внутренней рабочей поверхности корпуса, использование воды или водяного пара в качестве рабочего тела. Двигатель содержит неподвижный полый корпус (статор) 1 с внутренней рабочей поверхностью 2. Внутри корпуса 1 соосно с цилиндром его внутренней рабочей поверхности 2 установлен ротор 3 с боковой поверхностью 4, сопряженной с рабочей поверхностью 2 корпуса (статора) 1. В роторе выполнены по крайней мере две рабочие камеры 5 двигателя в виде объемных углублений. Между поверхностью 2 корпуса и поверхностью 4 ротора установлены уплотнительные элементы 6. Двигатель содержит установленные в роторе 3 элементы 7 подачи рабочего тела и как минимум один элемент газообмена. Рабочая камера 5 имеет два типа поверхностей - движущую поверхность и тормозящую поверхность. В роторе 3 по его оси 8 выполнен продольный (осевой) канал 9, от которого отходит по крайней мере один поперечный канал 10, соединяющий указанный продольный канал с элементом 7 подачи рабочего тела. Двигатель содержит по крайней мере один элемент газообмена (не показан), который расположен в роторе двигателя. Двигатель также снабжен по крайней мере одним коммутируемым перепускным каналом 11 между рабочими камерами двигателя (элементы коммутации не показаны). Канал 11 предназначен для управляемой (дозированной) передачи плазмы из одной рабочей камеры 5 в другую, например, из камеры 5(1) в камеру 5(2) или наоборот с использованием соответствующего элемента подачи рабочего тела (сопла Лаваля), соответственно, 7(2) или 7(1). Элемент подачи рабочего тела 7(1) или 7(2) представляет собой сопло Лаваля 12 (фиг.3). На входе сопла установлены форсунки подачи горючего 12, окислителя 13, воды (или водяного пара) 14 и плазмы 15. В критическом сечении сопла установлен конический шток 16 с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла, на который во время работы двигателя подается электрический потенциал (относительно корпуса 12), а на выходе сопла уставлена форсунка 17 для подачи дополнительной воды. 1 нез. п. ф-лы; 3 илл.
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к роторно-поршневым двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.
Уровень техники
Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля, включающий цилиндрический корпус (статор) и трехгранный ротор-поршень. Внутренняя поверхность корпуса (цилиндра) в поперечном сечении выполнена по эпитрохоиде. Внутри корпуса движется трехгранный ротор-поршень, который постоянно разделяет камеру на рабочие зоны, в которых происходят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. При этом роль поршней выполняют три стороны ротора, а на углах ротора установлены уплотнения. Ротор-поршень установлен свободно на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала (Ротопоршневые двигатели [сб. статей]. Госуд. союзный научно-исследовательский тракторный институт. Труды НАТИ). Выпуск 179. М. ОНТИ, 1968 (с.11-14).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии полого корпуса с цилиндрической внутренней поверхностью и ротора, установленного внутри корпуса с возможностью вращения.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что ротор (ротор-поршень) установлен на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена в виде прямого кругового цилиндра с двумя торцевыми крышками, ротор, эксцентрично установленный в корпусе и имеющий радиальные пазы, в которых установлены лопасти с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также системы топливоподачи и газообмена, при этом ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений (Патент RU 
2011866 C1, M. кл. F02B 53/00, опубликовано 1990.04.30).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии корпуса и установленного в корпусе ротора, а также в наличии расположенных в стенке корпуса элементов подачи рабочего тела и элементов газообмена.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что:
1) в роторе имеются радиальные пазы, в которых установлены лопасти, движущиеся в процессе работы двигателя возвратно-поступательно относительно ротора и одновременно скользящие своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса, что усложняет конструкцию двигателя и снижает его надежность;
2) ротор установлен в корпусе с эксцентриситетом относительно оси симметрии внутренней рабочей поверхности корпуса, что является причиной существенной неуравновешенности внутренних сил двигателя;
3) в качестве рабочего тела используются продукты сгорания углеводородного горючего (бензин, солярка, газ).
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в упрощении конструкции двигателя, повышении его надежности, в уменьшении действия на двигатель внутренних неуравновешенных сил в процессе вращения ротора, в экономии углеводородного горючего.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в исключении из двигателя элементов, движущихся возвратно-поступательно относительно ротора, в устранении эксцентриситета ротора относительно внутренней рабочей поверхности корпуса, в использовании воды или водяного пара в качестве рабочего тела.
Достигается технический результат тем, что роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный полый корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, элементы подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементы газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя, при этом по крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла свечу зажигания и управляемые форсунки подачи горючего, окислителя, и также воды или водяного пара.
Достигается технический результат также тем, что роторно-поршневой двигатель содержит по крайней мере один коммутируемый перепускной канал между рабочими камерами двигателя для передачи плазмы из одной камеры в другую, а сопло Лаваля содержит расположенную на входе сопла форсунку для подачи плазмы, соединенную с указанным перепускным каналом.
Достигается технический результат также тем, что роторно-поршневой двигатель содержит расположенную на выходе сопла форсунку подачи дополнительной воды.
Достигается технический результат также тем, что роторно-поршневой двигатель содержит конический шток, установленный в критическом сечении сопла Лаваля с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла и возможностью подачи на него электрического потенциала.
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в выполнении элемента подачи рабочего тела в виде сопла Лаваля, содержащего расположенные на входе сопла свечу зажигания и управляемые форсунки подачи горючего, окислителя, а также воды или водяного пара. Новые признаки также заключаются в наличии коммутируемого перепускного канала между рабочими камерами двигателя, а также в наличии расположенной на выходе сопла форсунку подачи дополнительной воды.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 схематично показан роторно-поршневой двигатель (в поперечном сечении); на фиг.2 отдельно показана рабочая камера двигателя (объемное углубление в роторе); фиг.3 отдельно показано сопло Лаваля (элемент подачи рабочего тела).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Роторно-поршневой двигатель содержит неподвижный полый корпус 1, выполняющий функцию статора двигателя; при этом корпус имеет внутреннюю рабочую поверхность 2 по форме прямого кругового цилиндра (т.е. направляющая поверхности 2 имеет форму окружности, а с торцов корпус закрыт крышами). Внутри корпуса 1 соосно с цилиндром его внутренней рабочей поверхности 2 установлен ротор 3, выполненный в виде прямого кругового цилиндра с боковой поверхностью 4, сопряженной с рабочей поверхностью 2 корпуса (статора) 1. В роторе со стороны его боковой поверхности 4 выполнены по крайней мере две рабочие камеры 5 двигателя в виде объемных углублений. Между поверхностью 2 корпуса и поверхностью 4 ротора установлены уплотнительные элементы 6 (показано четыре уплотнительных элемента). Двигатель также содержит установленные в роторе 3 элементы 7 подачи рабочего тела и как минимум один элемент газообмена (не показан). Кроме того, рабочая камера 5 (объемное углубление в роторе) имеет два типа поверхностей - движущую поверхность и тормозящую поверхность. В приведенном на фиг.2 примере рабочая камера 5 выполнена в виде пирамиды с прямоугольным основанием ABCD, являющимся движущей поверхностью рабочей камеры 5, и вершиной Е. При этом тормозящей поверхностью рабочей камеры 5 является боковая грань ADE указанной пирамиды. Указанные поверхности (основание ABCD и боковая грань ADE) выделяются как движущая и тормозящая вследствие того, что нормаль к поверхности ABCD ориентирована в направлении вращения ротора 3 (по часовой стрелке относительно рисунка), а нормаль к поверхности ADE ориентирована в против направлении вращения ротора 3 (против часовой стрелки относительно рисунка); при этом эффективная площадь поверхности ABCD (площадь прямоугольника) превышает эффективную площадь поверхности ADE (площадь треугольника). Что касается других граней пирамиды (ABE и DCE), то они в рабочем процессе участвуют в незначительной степени, так как, во-первых, площади этих граней равны между собой, а нормали к ним ориентированы противоположно друг к другу, а во-вторых, очень малый угол между плоскостью вращения ротора и гранями ABE и DCE обуславливает маленькую тормозящую силу, т.к. нормаль раскладывается по правилу параллелограмма. При этом элемент 7 подачи рабочего тела установлен в рабочей камере на грани ABCD. Кроме того, в роторе 3 по его оси 8 выполнен продольный (осевой) канал 9, от которого отходит по крайней мере один поперечный канал 10, соединяющий указанный продольный канал с элементом 7 подачи рабочего тела. Каждый элемент 7(1) и 7(2) подачи рабочего тела установлен так, что поток истекающего из него рабочего тела направлен от грани ABCD в направлении к внутренней поверхности корпуса (как показано двойной стрелкой на фиг.1), что дополнительно к силе, обусловленной давлением газа внутри углубления 5 и тем самым вращающей ротор 3, добавляет динамическую составляющую.
Двигатель также содержит по крайней мере один элемент газообмена (не показан), который расположен в роторе двигателя.
Двигатель также снабжен по крайней мере одним коммутируемым перепускным каналом 11 между рабочими камерами двигателя (элементы коммутации не показаны). Канал 11 предназначен для управляемой (дозированной) передачи плазмы из одной рабочей камеры 5 в другую, например, из камеры 5(1) в камеру 5(2) или наоборот с использованием соответствующего элемента подачи рабочего тела (сопла Лаваля), соответственно, 7(2) или 7(1).
Элемент подачи рабочего тела 7(1) или 7(2) представляет собой сопло Лаваля 12 (фиг.3). При этом, на входе сопла установлены форсунки подачи горючего 12, окислителя 13, воды (или водяного пара) 14 и плазмы 15. Кроме того, в критическом сечении сопла установлен конический шток 16 с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла, на который во время работы двигателя подается электрический потенциал (относительно корпуса 12), а на выходе сопла уставлена форсунка 17 для подачи дополнительной воды.
Работа роторно-поршневого двигателя заключается в следующем.
В сопло Лаваля, например 7(1) рабочей камеры 5(1) (фиг.1) при помощи его форсунок 12 и 13 (фиг.3) первоначально, т.е. в момент запуска двигателя подают горючее (например, бензин) и окислитель (например, воздух), при этом горючее поджигают при помощи свечи зажигания (не показана), вследствие чего в сопле 7(1) образуется плазма, поступающая в рабочую камеру 5(1). Затем через форсунку 14 в сопло 7(1) подают воду или водяной пар и одновременно на шток 16 подают электрический потенциал высокого напряжения (относительно корпуса сопла). Плазма, образованная сжиганием горючего (бензина), в сочетании с действием электрического поля приводит к разложению воды на водород и кислород; водород сгорает, вследствие чего происходит существенное увеличение объема рабочего тела в камере 5(1) при относительно малом расходе бензина. Образовавшееся таким образом рабочее тело производит в камере 5(1) необходимую работу. Одновременно часть плазмы из камеры 5(1) по коммутируемому каналу 11(1) поступает в сопло Лаваля 7(2) другой рабочей камеры 5(2) через форсунку 15 этого сопла. Кроме того, в сопло Лаваля 7(2) через его форсунку 14 подают воду или водяной пар, а на шток 16 этого сопла подают высокий электрический потенциал. Под действием плазмы, поступившей по коммутируемому каналу 11(1), и электрического поля между штоком 16 и корпусом сопла происходит разложение воды в сопле Лаваля 7(2) с образованием водорода и кислорода. Водород под действием плазмы сгорает, вследствие чего в сопле 7(2) образуется рабочее тело, поступающее в камеру 5(2) и производящее там необходимую работу. В сопло Лаваля 7(2) одновременно с водой и плазмой может подаваться бензин (форсунка 12), а также воздух (форсунка 13), что увеличит объем рабочего тела. Кроме того, через форсунку 17 каждого сопла Лаваля подают дополнительную воду, которая в зависимости от режима работы двигателя, определяемого бортовым компьютером, может либо разлагаться на водород и кислород, увеличивая тем самым количество топлива и окислителя в камере, либо превращаться в пар, который далее производит работу в качестве рабочего тела (режим паровой машины).
Камеры 5(1) и 5(2) и соответствующие им сопла Лаваля 7(1) и 7(2) и коммутируемы каналы 11(1) и 11(2) симметричны: вышеописанный процесс может начинаться с камеры 5(2). Вариации режимов работы двигателя могут осуществляться в широких пределах прежде всего бортовым компьютером, который по тому или иному алгоритму открывает и закрывает форсунки 12-15 каждого сопла Лаваля. Режим работы двигателя также определяется положением штока 16 в области критического сечения сопла Лаваля.
В каждой рабочей камере 5(1) и 5(2) протекают следующие процессы.
Рабочее тело, находящееся под высоким давлением в камере 5, оказывает давление на движущую поверхность ABCD и тормозящую поверхность ADE (фиг.2). Поскольку эффективная площадь движущей поверхности ABCD больше эффективной площади тормозящей поверхности ADE, то и момент силы, действующей на ротор 3 в движущем направлении (по часовой стрелке относительно рисунка 1), больше момента силы, действующей на ротор в тормозящем направлении. Вследствие этого ротор 3 вращается. При повороте ротора на определенный угол при помощи элемента газообмена (не показан) сбрасывают давление газа в соответствующей камере 5. Далее цикл повторяется. При этом в двигателе нет такта расширения как такового, а энергия сгоревшего топлива сохраняется в течение определенного времени (пока не упадет давление в связи с преодолением сил трения). Таким образом, момент движущей силы, создаваемый давлением рабочего тела, тратится только на совершение полезной работы, преодоление сил трения внутри двигателя и выход газа через уплотнения 6.
В рассматриваемом двигателе отсутствуют циклы всасывания, сжатия и расширения, а цикл выхлопа происходит без применения дополнительных деталей. Кроме того, нет необходимости применять впускные и выпускные клапаны, а также их привод; полностью исключен механизм газораспределения.
1. Роторно-поршневой двигатель, содержащий неподвижный полый корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с элементами, образующими как минимум две рабочие камеры двигателя, элементы подачи рабочего тела в рабочие камеры двигателя и элементы газообмена для выхода газа из рабочих камер двигателя, отличающийся тем, что по крайней мере один элемент подачи рабочего тела представляет собой сопло Лаваля, содержащее расположенные на входе сопла свечу зажигания и управляемые форсунки подачи горючего, окислителя и также воды или водяного пара.
2. Роторно-поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один коммутируемый перепускной канал между рабочими камерами двигателя для передачи плазмы из одной камеры в другую, а сопло Лаваля содержит расположенную на входе сопла форсунку для подачи плазмы, соединенную с указанным перепускным каналом.
3. Роторно-поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит расположенную на выходе сопла форсунку подачи дополнительной воды.
4. Роторно-поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит конический шток, установленный в критическом сечении сопла Лаваля с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сопла и возможностью подачи на него электрического потенциала.
