Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве силовой установки на автомобильном транспорте.

Известно устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания (Таi, Сhιm, Тsао, Тsu-Сhiп, M. В. Lеviп, G. Ваrtа, апd М.М. Sсhесhtеr, "Usiпg Саmlеss Vаlvеtrаiп fоr Аir Нуbrid Орtimizаtiоп," SAE Wоrld Сопgrеss 2003 Sресiаl Publications (SP- 1752), ISBN: 0-7680-1175-2) с головкой цилиндров, содержащей по меньшей мере два впускных клапана с электромагнитным приводом, причём один клапан перекрывает впускной трубопровод, сообщающийся с атмосферой, а другой клапан перекрывает трубопровод, сообщающийся с воздушным ресивером.

Недостатком известной конструкции является наличие механического клапана между ресивером и цилиндром, что снижает надёжность работы, а также мёртвого объёма камеры сгорания, что не позволяет создать в ресивере большое давление, тем самым ограничивая энергоёмкость системы.

Известно устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (RU, Cl, 2159342), содержащего рабочую полость с впускными и выпускными каналами, камеру сгорания, выходной вал, два неравномерно вращающихся блока лопастей с узлами уплотнительных элементов лопастей, механизм неравномерного вращения блоков лопастей, осуществляющий кинематическую связь выходного вала с блоками лопастей и включающий зубчатые колёса, закрепленные на корпусе рабочей полости, и по крайней мере одном сателлитном валу механизма,

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

причем в рабочей полости образованы рабочие камеры переменного объема с зонами расширения и зонами сжатия в зависимости от угла поворота выходного вала.

Наиболее близким к заявленному устройству роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания по технической сущности и достигаемому результату является устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (RU, C2, 2198307), содержащего цилиндрическую рабочую полость, закрытую с торцов крышками, впускные и выпускные каналы, вынесенную за пределы рабочей полости камеру сгорания в форме трубки, выходной вал, два неравномерно вращающихся соосных блока лопастей с узлами уплотнительных элементов лопастей, механизм неравномерного вращения блоков лопастей, осуществляющий кинематическую связь выходного вала с блоками лопастей и включающий некруглые зубчатые колёса, попарно закрепленные на блоках лопастей и выходном валу, причем в рабочей полости образованы рабочие камеры переменного объема с зонами расширения и зонами сжатия в зависимости от угла поворота выходного вала.

Недостатком этого прототипа является значительное отношение высоты лопасти к диаметру ступицы блока лопастей и длинную кинематическую цепь механизма неравномерного вращения, что не обеспечивает достаточную жёсткость рабочих частей двигателя и препятствует смыканию лопастей с малым мёртвым объёмом, в результате чего не представляется возможным полное вытеснение рабочего тела в конце такта сжатия в камеру сгорания. Известный прототип также имеет низкую удельную мощность, так как является аналогом четырёхтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, и совершает два относительных возвратно-вращательных движения блоков лопастей за рабочий цикл.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Наиболее близким к заявленному способу работы двигателя внутреннего сгорания по технической сущности и достигаемому результату является способ работы газотурбинных двигателей по циклу Брайтона, включающий сжатие рабочего тела в компрессоре, перепуск рабочего тела в камеру сгорания, сжигание в рабочем теле топлива и расширение рабочего тела в турбине.

Недостатком этого прототипа является то, что мгновенный массовый расход рабочего тела через компрессор равен мгновенному массовому расходу через турбину, за вычетом массы подаваемого в камеру сгорания топлива, и варьировать соотношение расходов не представляется возможным, что снижает регулировочные возможности двигателя.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемая группа изобретений, является повышение эффективного коэффициента полезного действия автомобильного роторно-лопастного двигателя при движении по городскому циклу, снижение токсичности отработавших газов и повышение удельной мощности.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем сжатие рабочего тела в полости сжатия, вытеснение рабочего тела в камеру сгорания, сжигание в рабочем теле топлива, перепуск из камеры сгорания в полость расширения, расширение и замену отработавших газов свежим зарядом, особенностью является то, что: отношение массы рабочего тела, перепущенного за рабочий цикл из полости сжатия в камеру сгорания к массе рабочего тела, перепущенного из камеры сгорания в полость расширения, регулируют в пределах от нуля до бесконечности, тем самым изменяя отношение работы расширения к работе сжатия от бесконечности до нуля;

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

часть отработавших газов охлаждают и смешивают со свежим зарядом, причём массовую долю отработавших газов в свежем заряде регулируют от нуля до единицы. Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в устройстве роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндрическую рабочую полость с двумя соосными роторами, каждый из которых состоит из ступицы с закреплёнными на ней по крайней мере двумя лопастями, и разделяющими объём цилиндрической рабочей полости на рабочие камеры переменного объёма, механизм передачи, обеспечивающий вращение роторов с переменными угловыми скоростями, камеру сгорания, сообщающуюся с рабочей полостью посредством вытеснительных и приёмных окон, торцевые крышки рабочей полости, систему подачи топлива, особенностью является то, что: механизм передачи выполнен в виде по крайней мере двух коленчатых валов, вращающихся в водиле, причём каждый коленчатый вал имеет по крайней мере две шатунные шейки, через которые посредством шатунов коленчатый вал соединен со ступицами роторов, и по крайней мере один зубчатый венец, который находится в зацеплении по меньшей мере с одним неподвижным колесом; замена отработавших газов в рабочих камерах свежим зарядом осуществляется через каналы, сообщающиеся с рабочей полостью и перекрываемые управляемыми клапанами, например, с электромагнитным или гидравлическим приводом; камера сгорания выполнена в виде жаровых труб, сообщающихся с газовым ресивером, причём ресивер выполняет роль газового аккумулятора;

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

зубчатая передача выполнена преимущественно с некруглыми колёсами внутреннего зацепления; неподвижное колесо и рабочая полость имеют механизм для изменения угла поворота друг относительно друга; число пар окон, соединяющих жаровые трубы с рабочей полостью, равно числу пар лопастей; рабочие камеры сообщаются с парами окон при каждом смыкании пар лопастей; ресивер имеет преимущественно тороидальную форму, а жаровые трубы находятся внутри его полости; подачу топлива осуществляют в жаровые трубы.

На фиг. 1 представлен вид роторно-лопастного двигателя со стороны выходного вала, причём выпускная крышка, выпускные клапаны, неподвижное колесо и маховик не показаны.

На фиг. 2 представлен разрез по A-A.

На фиг. 3 представлен разрез по Б-Б, причём роторно-лопастная группа не показана.

На фиг. 4 представлена аксонометрическая проекция роторно- лопастной группы двигателя с разнесением компонентов.

На фиг. 5 представлена схема работы двигателя (поворот водила на угол 50° с шагом 10°).

На фиг. 6 представлены индикаторная диаграмма и взаимное положение вытеснительного и перепускного окна и плоскости смыкания лопастей для одного из длительных режимов работы (номинального).

На фиг. 7 представлены индикаторная диаграмма и взаимное положение вытеснительного и перепускного окна и плоскости смыкания лопастей для одного из кратковременных режимов работы (максимального момента тягового режима).

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

На фиг. 8 представлены индикаторная диаграмма и взаимное положение вытеснительного и перепускного окна и плоскости смыкания лопастей для одного из кратковременных режимов работы (максимального момента режима рекуперативного торможения).

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания состоит из неподвижного остова, поворотного блока и роторно-лопастной группы. Устройство остова в описании настоящего изобретения не рассматривается. На остове жёстко закреплено неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления 1. Поворотный блок установлен соосно с колесом 1 и имеет возможность поворота относительно остова на малый угол (до 20 ).

Поворотный блок содержит цилиндрическую рабочую полость 2, ресивер 3, впускную 4 и выпускную 5 крышки. На крышках установлены впускные 6 и выпускные 7 клапаны, к которым подводятся, соответственно, впускные 8 и выпускные 9 каналы. Крышки прикреплены к цилиндрической полости винтами 10. В крышках выполнены вытеснительные 11 и приёмные 12 окна, попарно соединённые жаровыми трубами 13. Пары окон выполнены в крышках 4 и 5 со смещением, как показано на фиг. 6-8. Жаровые трубы расположены в полости ресивера и сообщаются с ней через отверстия 14. Непосредственно у вытеснительного окна в каждой жаровой трубе установлены форсунки 15 системы топливоподачи.

Роторно-лопастная группа содержит водило 16, в котором на коренных подшипниках 17 и 18 закреплены с возможностью вращения коленчатые валы 19. Каждый коленчатый вал имеет зубчатый венец и две находящиеся в противофазе шатунные шейки, на которых установлены шатунные подшипники 20 и шатуны 21. В верхних головках шатунов установлены втулки 22, через которые с помощью пальцев 23 шатуны соединяются со ступицами роторов 24. На каждой из ступиц роторов с равным угловым шагом консольно жёстко закреплены лопасти 25. На заднем конце водила

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

винтами 26 закреплён маховик 27. Роторно-лопастная группа вращается в подшипниках 28 и 29, закреплённых в поворотном блоке и остове.

В представленном варианте изобретения роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания имеет три жаровых трубы с тремя парами вытеснительных и приёмных окон, три пары лопастей, установленных на ступицах роторов с шагом 120° и три коленчатых вала, расположенных в водиле также с шагом 120°. Среднее передаточное отношение зубчатой передачи равно 1 :3. Зубчатая передача выполнена с некруглыми колёсами, чтобы компенсировать асимметрию закона движения роторов, обусловленную наличием кривошипно-шатунного механизма, и сделать работу смежных рабочих камер идентичной.

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При вращении водила 16 коленчатые валы 19 своими зубчатыми венцами обкатываются по колесу 1 наподобие сателлитов планетарного механизма. Верхние головки шатунов 21 сообщают ступицам роторов 24 возвратно-вращательные движения относительно водила, по одному циклическому движению за каждый оборот коленчатого вала, или, что эквивалентно, за каждые 120° угла поворота водила. Возвратно- вращательные движения роторов складываются с равномерным вращательным движением водила, в результате чего роторы описывают неравномерное вращательное движение, поочерёдно смыкая противолежащие боковые поверхности лопастей, как показано на фиг. 5. Полезная мощность снимается с выходного вала водила 16 либо с маховика 27.

Двигатель работает в широком диапазоне выходного крутящего момента, в том числе с отрицательным выходным моментом, то есть, в режиме рекуперативного торможения. Режим работы двигателя определяется взаимным положением плоскости смыкания лопастей и вытеснительного и приёмного окон каждой жаровой трубы. Положение

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

плоскости смыкания лопастей регулируют вращением поворотного блока относительно колеса 1.

На фиг. 6 плоскость смыкания лопастей находится в зоне вытеснительного окна и двигатель работает в длительном тяговом режиме. Состояние газа в рабочих камерах меняется в последовательности а-с-с '-z- b-а по индикаторной диаграмме фиг. 6. По оси абсцисс отложен относительный объём рабочей камеры, причём за единицу принят максимальный объём рабочей камеры, когда боковые поверхности лопастей смежных рабочих камер сомкнуты. По оси ординат отложено давление рабочего тела в рабочей камере (в МПа). Рабочий цикл начинается в точке а, в которой клапаны б и 7 закрываются, и начинается процесс адиабатного (в первом приближении) сжатия. По мере вращения водила 16 объём рабочей камеры уменьшается и в точке с торцевая кромка опережающей лопасти открывает вытеснительное окно 11, и давление в рабочей камере становится равным давлению в ресивере 3. Положение точки а, то есть, момент закрытия клапанов 6 и 7, регулируют таким образом, чтобы в момент сообщения рабочей камеры с ресивером давление в них были равны. При дальнейшем движении объём рабочей камеры уменьшается до нуля, и рабочее тело через вытеснительное окно 11 вытесняется в жаровую трубу 13 (процесс с-с'). Давление в ресивере 3 зависит от режима работы двигателя и составляет 2...7 МПа, что соответствует степени сжатия 9...22. Объём жаровой трубы значительно превышает объём рабочего тела, вытесненного в жаровую трубу из рабочей камеры за один цикл, поэтому каждый цикловой объём рабочего тела перемещается по жаровой трубе к приёмному окну в течение нескольких рабочих циклов. В рабочее тело форсункой впрыскивается углеводородное топливо (преимущественно тяжёлое) и самовоспламеняется. В целом процессы горения и течения в жаровых трубах подобны таковым в газотурбинных двигателях.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

При дальнейшем вращении водила лопасти размыкаются и рабочее тело перетекает в рабочую камеру через приёмное окно (процесс с'-z). В точке z торцевая кромка отстающей лопасти отсекает приёмное окно и рабочее тело расширяется в адиабатном (в первом приближении) процессе z-b. Процесс расширения производится до давления начала сжатия или до достижения максимального объёма рабочей камеры, в зависимости от режима работы. В точке b открываются выпускные и впускные клапаны и происходит процесс свободного выпуска и продувки b-а, причём объём рабочей камеры в этом процессе уменьшается. В точке а клапаны закрываются, и рабочий цикл повторяется. Описанный рабочий цикл подобен двухтактному циклу поршневого двигателя внутреннего сгорания. Часть отработавших газов отбирают в выпускном канале, подвергают охлаждению и смешивают с подаваемым во впускной канал воздухом. Рециркуляция отработавших газов обеспечивает снижение пиковой температуры рабочего тела в жаровых трубах, в результате чего снижаются выбросы NO _x . В известных поршневых двигателях внутреннего сгорания допустимая массовая доля выхлопных газов в свежем заряде при использовании рециркуляции ограничена качеством сгорания рабочей смеси. В предлагаемом двигателе процесс сгорания в жаровых трубах значительно растянут во времени, поэтому скорость горения смеси не является критичной, и степень рециркуляции можно значительно поднять, повысив тем самым её эффективность.

В длительном тяговом режиме работы степень предварительного расширения (V _z /V _c ) составляет величину от 1 (холостой ход) до приблизительно 2 (номинальный момент). Масса вытесняемого в жаровые трубы рабочего тела в процессе с-с ' равна массе рабочего тела, перетекающего в рабочие камеры в процессе с '-z (за вычетом массы подведённого топлива), а увеличение объёма, пропорциональное степени предварительного расширения, обеспечивается подводом тепла к рабочему

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

телу в жаровых трубах в изобарном процессе с-z. В длительном тяговом режиме массоперенос между ресивером и жаровыми трубами отсутствует, за исключением незначительных пульсаций давления в моменты сообщения рабочих камер с жаровыми трубами.

При смещении плоскости смыкания лопастей ближе к наружной кромке вытеснительного окна степень предварительного расширения увеличивается, и индикаторная диаграмма принимает вид, представленный на фиг 7. В связи с ограничением максимальной температуры рабочего тела, подведённая с топливом теплота обеспечивает отношение V _z /V _c не более 2. Если эта величина превышена, то масса рабочего тела, вытесняемая в жаровые трубы за рабочий цикл, меньше массы рабочего тела, перепускаемого в рабочие камеры. Разность массовых расходов рабочего тела компенсируется за счёт притока из ресивера в жаровые трубы через отверстия 14. Давление в ресивере при работе в кратковременном тяговом режиме снижается. Динамический диапазон двигателя (отношение максимального момента кратковременного тягового режима к максимальному моменту длительного режима) составляет 3...5. Такой динамический диапазон достаточен для того, чтобы легковому автомобилю, снабжённому предлагаемым двигателем, не требовалась бы коробка передач. Запас энергии для кратковременного тягового режима пропорционален объёму ресивера, и для легкового автомобиля, например, класса В, полной массой 1500 кг минимально необходимый запас энергии в 1 МДж достигается при объёме ресивера 0.05 м .

При смещении плоскости смыкания лопастей в зону приёмного окна степень предварительного расширения становится меньше 1, и индикаторная диаграмма принимает вид, представленный на фиг 8. Процессы на диаграмме осуществляются в последовательности а-с-с '-z-b-а, то есть работа цикла становится отрицательной и двигатель создаёт тормозной момент на выходном валу. Масса рабочего тела, вытесняемая в

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

жаровые трубы за рабочий цикл, больше массы рабочего тела, перепускаемого в рабочие камеры. Разность массовых расходов компенсируется за счёт оттока рабочего тела из жаровых труб в ресивер в через отверстия 14. Давление в ресивере в режиме рекуперативного торможения увеличивается, при этом энергия торможения переходит во внутреннюю энергию газа в ресивере.

Таким образом, применение системы газоаккумуляторной рекуперации в конструкции роторно-лопастного двигателя, установленного на автомобиле, позволит снизить расход топлива в городском цикле движения, запасая энергию торможения в ресивере и отдавая её при последующем разгоне. Применение управляемых клапанов для газообмена расширит регулировочный диапазон двигателя, а приведение рабочего цикла к двухтактному повысит удельную мощность.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)