Область техники

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к силовым установкам с роторным тепловым двигателем, который может работать на различных видах топлива и быть использованным на транспорте и в ряде других отраслей техники.

Предшествующий уровень техники

В качестве ближайшего аналога изобретения принята силовая установка (патент РФ 2183754, F02B53/00, 2002), включающая роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с выходным окном и с рабочей камерой, сообщенной с камерой сгорания, и ротор, установленный в рабочей камере (в корпусе) на выходном валу, роторный утилизатор энергии, ротор которого установлен на выходном валу двигателя, а в корпусе выполнено входное и выходное окна, причем входное сообщено с выходным окном двигателя, системы питания двигателя топливом и сжатым до рабочего давления воздухом со средствами регулируемой подачи в камеру сгорания, систему охлаждения и смазки. Системы смонтированы на выходном валу, вертикально установленном в картере, при этом система питания сжатым воздухом включает двухступенчатый компрессор, первой ступенью которого является кольцевой центростремительный нагнетатель, а второй сообщенный с ним объемный компрессор с ресивером, сообщенным с камерой сгорания двигателя с возможностью регулирования объема подачи сжатого воздуха. Система питания топлива включает пару топливных насосов, установленных диаметрально относительно вала с возможностью поступательного перемещения по направляющим вдоль него и взаимодействующих с ним посредством толкателей, закрепленных на рабочем органе, причем вал на участке этого взаимодействия выполнен с односторонним кулачком, имеющим наклонную поверхность, а система охлаждения- смазки включает смонтированные на нижнем конце вала гидрозаборные лопатки, при этом вал выполнен полым и полость его сообщена через полость гидрозаборных лопаток с резервуаром смазочно-охлаждающей жидкости, размещенным в картере, а через окна, выполненные в теле вала, с полостями двигателя, утилизатора и компрессора. Объемный компрессор выполнен роторным и содержит корпус с рабочей камерой, в которой на валу установлен ротор, взаимодействующий с отсекателем, смонтированным в теле корпуса, а ресивер выполнен в виде кожуха, окружающего корпус. Топливные насосы выполнены поршневыми и установлены в полости, образованной внутри кольцевого нагнетателя, а направляющие являются одновременно топливопроводами. Роторный двигатель внутреннего сгорания, утилизатор энергии, компрессор и кольцевой нагнетатель скреплены между собой и с опорой-картером посредством шпилек, пропущенных через проушины, выполненные на периферийной поверхности указанных узлов.

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия, повышение эффективности сгорания топлива; снижение теплопотерь, упрощение конструкции, снижение времени на обслуживание установки, снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления силовой установки, снижение себестоимости изготовления и эксплуатации силовой установки, повышение надежности и ресурса двигателя.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются следующие недостатки ближайшего аналога. Конструкция силовой установки с двигателем, имеющим камеру внутреннего сгорания, сложна. Камера сгорания, совмещенная с рабочей камерой, не позволяет создать оптимальные параметры давления и температуры топливной смеси, за счет чего ухудшается степень сгорания и эффективность преобразования энергии расширения газов в механическую работу двигателя. Сложность изготовления, обусловленная сложной конфигурацией корпуса двигателя, и ненадежность работы отдельных его узлов за счет трения скольжения подпружиненного отсекателя относительно ротора и корпуса приводят к уменьшению коэффициента полезного действия и снижению срока эксплуатации двигателя. В ближайшем аналоге сложны и ненадежны в работе система охлаждения, совмещенная с системой смазки, и система питания топливом, состоящая из пары топливных насосов, установленных с возможностью поступательного перемещения.

Признаками ближайшего аналога, совпадающими с существенными признаками изобретения, является наличие в силовой установке корпуса двигателя с рабочей камерой и выходным окном, ротора, установленного в корпусе на выходном валу; камеры сгорания, сообщенной с рабочей камерой, утилизатора, в корпусе которого выполнено входное и выходное окна, причем входное окно сообщено с выходным окном корпуса двигателя; системы охлаждения; системы питания сжатым воздухом, включающей двухступенчатый компрессор, первой ступенью которого является нагнетатель, а второй - сообщенный с ним компрессор с ресивером, который сообщен с камерой сгорания с возможностью регулирования объема подачи сжатого воздуха; системы питания топливом, включающей топливные насосы.

Раскрытие изобретения Технической задачей изобретения является усовершенствование конструкции силовой установки, которое позволит устранить недостатки аналога.

Поставленная задача решена тем, что в силовой установке, включающей корпус двигателя с рабочей камерой и выходным окном, ротор, установленный в корпусе на выходном валу; камеру сгорания, сообщенную с рабочей камерой, утилизатор, в корпусе которого выполнено входное и выходное окна, причем входное окно сообщено с выходным окном корпуса двигателя; систему охлаждения; систему питания сжатым воздухом, включающую двухступенчатый компрессор, первой ступенью которого является нагнетатель, а второй - сообщенный с ним компрессор с ресивером, который сообщен с камерой сгорания с возможностью регулирования объема подачи сжатого воздуха; систему питания топливом, включающую топливные насосы, согласно изобретению двигатель содержит, по меньшей мере, две камеры сгорания, которые выполнены внешними, расположенными за пределами корпуса двигателя; внутри ротор снабжен, по меньшей мере, четырьмя лопастями; снаружи на диаметрально противоположных сторонах ротора жестко закреплена, по меньшей мере, одна пара пластинчатых поршней; камера сгорания выполнена с выходным отверстием и отверстиями для подачи сжатого воздуха, топлива и для подвода элемента воспламенения топлива, камера сгорания снабжена клапаном, выполненным с возможностью герметично перекрывать выходное отверстие камеры сгорания; клапаны камер сгорания, системы питания топливом, сжатым воздухом и элемент воспламенения связаны с блоком управления двигателя; выходных окон в корпусе выполнено, по меньшей мере, два, они расположены на диаметрально противоположных сторонах корпуса; двигатель снабжен, по меньшей мере, двумя заслонками, выполненными с возможностью герметично перекрывать рабочую камеру и с толкателями, которые связаны с блоком управления двигателя, заслонки установлены после выходных окон перед камерами сгорания по направлению вращения ротора; корпус закрыт торцевыми крышками, выполненными с ребрами жесткости и с окнами между ними, система охлаждения выполнена воздушной; торцевые крышки снабжены уплотнениями для обеспечения герметичности между торцевыми крышками и ротором.

Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом изобретения существует следующая причинно-следственная связь. Выполнение двигателя силовой установки с камерами сгорания, выходные отверстия которых герметично перекрываются клапанами, и с заслонками, выполненными с возможностью герметично перекрывать рабочую камеру, снабженными толкателями, которые связаны с блоком управления двигателя, установлеными после выходных окон перед камерами сгорания по направлению вращения ротора, позволяет создать оптимальные режимы давления и температуры горения топлива и достигнуть максимально полного его сгорания, что ведет к повышению коэффициента полезного действия. Выполнение камер сгорания внешними позволит использовать различные виды топлива, в том числе углеводородное, водородное, альтернативное, сократить тепловые потери и использовать более экономичную воздушную систему охлаждения, что позволяет упростить конструкцию, снизить себестоимость силовой установки. Регулирование процесса горения топлива в камерах внешнего сгорания блоком управления двигателя позволит повысить эффективность сгорания топлива и надежность установки. Конструкция двигателя позволит увеличить длину хода поршня в рабочей камере и снизить давление продуктов сгорания (рабочего тела) на выходе из рабочей камеры. Конструкция двигателя позволит отказаться от принудительной системы смазки, что также ведет к повышению КПД и экономии топлива. Конструкция корпуса и ротора позволит уменьшить габариты, металлоемкость, вес, трудоемкость изготовления и обслуживания силовой установки.

Краткое описание чертежей

Изобретение проиллюстрировано графическим материалом, где на фиг. 1 показана схема силовой установки; на фиг. 2. показан поперечный разрез роторного двигателя с камерами сгорания, на фиг. 3 показано сечение А-А фиг. 2.

Вариант осуществления изобретения

Силовая установка содержит роторный двигатель 1 , включающей неподвижный корпус 2 с рабочей камерой 3; ротор 4 с восьмью лопастями охлаждения 5, установленный в корпусе 2 на выходном валу 6; две камеры внешнего сгорания 7, сообщенные с рабочей камерой 3. Силовая установка содержит утилизатор 8, в котором выполнено входное 9 и выходное 10 (для удаления утилизированного отработанного рабочего тела) окна, причем входное окно 9 сообщено с двумя выходными окнами 1 1 корпуса 2. Выходными окнами 1 1 рабочая камера 3 условно разделена на две одинаковые части (на фигурах не обозначены). Силовая установка содержит также систему питания двигателя топливом 12, включающую топливный бак 13, насос низкого давления 14 и насос высокого давления 15. При использовании углеводородного топлива, требующего для сгорания окислитель, например, воздух, силовая установка включает систему питания сжатым до рабочего давления воздухом 16 со средствами регулируемой подачи (на фигурах не показаны) и комплектуется нагнетателем 17, компрессором 18 с ресивером 19, которые сообщены с камерой сгорания 7 с возможностью регулирования объема подачи сжатого воздуха. При использовании альтернативного топлива (горючее + окислитель), например, водонитратного топлива на основе нитрата аммония NH ₄ NO ₃ 56% - окислитель, карбамида CO(NH ₂ ) ₂ 14% - горючее, воды 30% - растворитель отпадает необходимость подачи сжатого воздуха в камеру сгорания 7. Такой вид топлива относится к возобновляемым источникам энергии, позволяющим сократить на порядок токсичность выхлопных газов и уменьшить их температуру. Водный раствор нитрата аммония и карбамида под давлением, например, 50 атм подают в предварительно разогретую, например, до температуры 500°С камеру сгорания 7, где происходит реакция 3NH ₄ N0 ₃ + CO(NH ₂ ) ₂ = 8Н ₂ 0 (пар) + 4N ₂ + С0 ₂ с образованием газовой смеси - рабочего тела. Силовая установка содержит воздушную систему охлаждения 20, включающую восемь лопастей охлаждения 5, которые связывают ротор 4 с валом 6 и закреплены под углом, например, 45° к оси ротора 4 (и вала 6). Лопасти охлаждения 5 при работе двигателя 1 прокачивают воздух внутри полости 21 ротора 4 через окна 22 между ребрами жесткости 23 торцевых крышек 24 и охлаждают двигатель 1. Выходной вал 6 опирается на подшипники качения 25, закрепленные в торцевых крышках 24 двигателя 1. Камера сгорания 7 выполнена с выходным отверстием 26, посредством которого сообщена с рабочей камерой 3, она выполнена также с отверстиями для подачи сжатого воздуха 27, с отверстиями для подачи топлива 28 с установленной в нем, например, электромагнитной форсункой 29, с отверстием 30 с установленным в нем элементом воспламенения топлива 31 , например, свечой воспламенения. При использовании альтернативного топлива отверстие для подачи сжатого воздуха 27 может отсутствовать, а элементом воспламенения топлива 31 может служить, например, свеча накаливания. Ресивер 19 сообщен с камерой сгорания 7 через отверстия для подачи сжатого воздуха 27. Двигатель снабжен двумя заслонками 32, выполненными с возможностью герметично отделять рабочую камеру 3 от выходных отверстий 1 1. Заслонки 32 установлены после выходных окон 1 1 перед камерами сгорания 7 по направлению вращения ротора 4. Снаружи на диаметрально противоположных сторонах ротора 2 жестко закреплена, по меньшей мере, одна пара пластинчатых поршней 33. Двигатель 1 силовой установки снабжен датчиком 34 положения выходного вала 6, который связан с блоком управления двигателя 35. Торцевые крышки 24 снабжены уплотнениями 36 для обеспечения герметичности рабочей камеры 3. Камеры сгорания 7 снабжены электромагнитными клапанами 37, выполненными с возможностью герметично перекрывать выходные отверстия 26. Заслонки 32 снабжены электромагнитными толкателями 38. Клапаны 37 камер сгорания 7, электромагнитные толкатели 38 заслонок 32, системы питания топливом 12, сжатым воздухом 16 (если она есть) и элементы воспламенения 31 связаны с блоком управления двигателя 35. При использовании в качестве рабочего тела пара, образующегося, например, в парогенераторе от работы камеры внешнего сгорания 7, перед рабочей камерой 3 могут быть установлены, например, клапаны (на фигурах не показаны) регулирования подачи пара в рабочую камеру 3.

Силовая установка работает следующим образом. При вращении ротора 4 при прохождении пластинчатым поршнем 33 заслонки 32 датчик 34 положения выходного вала 6 подает электрический сигнал на блок управления 35. Блок управления 35 посылает команду на электромагнитные толкатели 38, закрывающие заслонки 32, а также он подает команду на электромагнитные форсунки 29, связанные с системой питания топливом 12, на систему сжатого воздуха 16, на элементы воспламенения 31. После прохождения пластинчатым поршнем 33 заслонки 32 она герметично перекрывает рабочую камеру 3, отделяя ее часть от выходных окон 1 1 , одновременно создавая два замкнутых пространства (на фигурах не обозначены) между корпусом 2, ротором 4, пластинчатыми поршнями 33, заслонками 32. Одновременно происходит впрыск в камеру 7 через форсунки 29 топлива, и, если использовано углеводородное топливо, подача воздуха и воспламенение топлива элементом воспламенения 31 , например, свечой воспламенения. После воспламенения топлива блок управления 35 подает сигнал на электромагнитные клапана 37, открывающие отверстия 26 камер сгорания 7. Образовавшееся в камере сгорания 7 рабочее тело, попадая в рабочую камеру 3, давит на поршни 33, вращая ротор 4, который передает усилие на выходной вал 6 через лопасти 5. Лопасти 5 при вращении ротора 4 прокачивают воздух внутри полости 21 ротора 4 через окна 22 между ребрами жесткости 23 торцевых крышек 24, охлаждая двигатель 1. После прохождения пластинчатым поршнем 33 выходного окна 1 1 рабочее тело через него поступает во входное окно 9 утилизатора 8, где охлаждаясь, нагревает топливо после насоса высокого давления 15 топливной системы 12.