RU2143571C1

RU2143571C1 - Compressor drive

Info

Publication number: RU2143571C1
Application number: RU98113256A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Коленко; Ю.И. Духанин; Н.А. Шмытов; А.А. Белугин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Аркон"
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 1999-12-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines; compressors. SUBSTANCE: slot is made in engine housing to length of rotor in which stop is fitted set into action by cam drive. Two manifolds to let out combustion products are arranged at both sides of stop. Engine rotor has cylindrical step and window and radial channels to feed air into combustion chamber. Intake manifolds and chambers for compressed high temperature air delivered by air compressor along pipeline are made in end face covers. Covers are provided also with holes for delivering air into rotor window and holes for air end face seal. Delivery of fuel into combustion chamber is provided by nozzle from fuel pump. EFFECT: increased engine thermal efficiency and simplified design of engine. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в качестве привода компрессоров. The invention relates to internal combustion engines and can be used as a drive for compressors.

В передвижных установках в качестве привода компрессора широкое распространение получил двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом или двигатель свободнопоршневого типа [1], [2]. In mobile installations as a compressor drive, an internal combustion engine with a crank mechanism or a free-piston engine was widely used [1], [2].

Недостатками указанного привода являются:
- громоздкость и сложность конструкции;
- ненадежность;
- низкая термодинамическая эффективность из-за высоких потерь тепла, уносимого охлаждающей водой.The disadvantages of this drive are:
- bulkiness and complexity of the design;
- unreliability;
- low thermodynamic efficiency due to high heat losses carried away by cooling water.

Известен также двигатель для привода компрессора, имеющий ротор, установленный в корпусе с торцевыми крышками, камеру сгорания и топливную систему [3]. Also known is a motor for driving a compressor having a rotor mounted in a housing with end caps, a combustion chamber and a fuel system [3].

Несмотря на отсутствие кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения роторно-поршневой двигатель имеет ряд существенных недостатков:
- сложность формы и конструкции ротора и его привода;
- ненадежность механического радиального и торцевого уплотнения ротора;
- большие потери тепловой энергии, отводимые водяной системой охлаждения и масляной системой смазки.Despite the absence of a crank mechanism and a gas distribution mechanism, a rotary piston engine has a number of significant disadvantages:
- the complexity of the shape and design of the rotor and its drive;
- unreliability of the mechanical radial and mechanical seal of the rotor;
- large losses of thermal energy discharged by the water cooling system and the oil lubrication system.

Наиболее близким по технической сущности является лопаточный роторный двигатель, выполненный в виде корпуса с торцевыми крышками и расположенного в нем ротора, содержащий камеру сгорания, топливную систему в виде насоса и форсунки, воздушный компрессор, коллекторы впуска сжатого высокотемпературного воздуха компрессора и выпуска продуктов сгорания [4]. The closest in technical essence is a rotary vane engine, made in the form of a housing with end caps and a rotor located in it, containing a combustion chamber, a fuel system in the form of a pump and nozzle, an air compressor, manifolds for the inlet of compressed high-temperature compressor air and the release of combustion products [4 ].

Отличаясь конструктивной простотой, двигатель обладает следующими недостатками:
- невысокий термический КПД из-за больших (до 30-35%) потерь тепловой энергии, отводимых водой, и утечек рабочего продукта через лопатки, установленные во вращающемся роторе;
- пониженный ресурс работы из-за износа лопаток и корпуса.Featuring structural simplicity, the engine has the following disadvantages:
- low thermal efficiency due to large (up to 30-35%) losses of thermal energy discharged by water, and leaks of the working product through the blades installed in a rotating rotor;
- reduced service life due to wear of the blades and the casing.

Решаемая задача - повышение термического коэффициента полезного действия двигателя, упрощение конструкции. С этой целью двигатель, выполненный в виде корпуса с торцевыми крышками и расположенного в нем ротора и содержащий камеру сгорания, топливную систему в виде насоса и форсунки, воздушный компрессор, а также коллекторы впуска сжатого высокотемпературного воздуха компрессора и выпуска продуктов сгорания, снабжен упором, установленным в пазу, выполненном в корпусе на длину ротора, и кулачковым приводом для привода упора, ротор снабжен цилиндрическим уступом, окном и радиальными каналами для подачи воздуха в камеру сгорания, торцевые крышки снабжены камерами для сжатого высокотемпературного воздуха, связанными через коллекторы выпуска с воздушным компрессором, и отверстиями для подачи воздуха в окно ротора, при этом коллекторы выпуска продуктов сгорания расположены по разные стороны от упора, а ротор снабжен торцевым воздушным уплотнением, сообщенным через отверстия в крышках с камерами для сжатого высокотемпературного воздуха. The task at hand is to increase the thermal efficiency of the engine, simplifying the design. To this end, the engine, made in the form of a housing with end caps and a rotor located in it and containing a combustion chamber, a fuel system in the form of a pump and nozzle, an air compressor, as well as manifolds for the compressor high-temperature compressed air intake and exhaust of combustion products, is equipped with a stop installed in a groove made in the housing for the length of the rotor, and a cam drive to drive the stop, the rotor is equipped with a cylindrical ledge, a window and radial channels for supplying air to the combustion chamber, end caps filled with chambers for compressed high-temperature air, connected through exhaust manifolds with an air compressor, and holes for supplying air to the rotor window, while the exhaust manifolds are located on opposite sides of the stop, and the rotor is equipped with an end air seal communicated through openings in the covers with chambers for compressed high temperature air.

С целью повышения термического КПД двигатель выполнен с тепловой изоляцией. In order to increase thermal efficiency, the engine is made with thermal insulation.

По фондам ВПТБ и ГПНБ был произведен поиск для выявления аналогичных технических решений. Решений, совпадающих по отличительным признакам, обнаружено не было, на основании чего был сделан вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". A search was made for the VPTB and GPNB funds to identify similar technical solutions. No solutions matching the distinguishing features were found, on the basis of which it was concluded that the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

На прилагаемых чертежах представлена конструкция предлагаемого двигателя для привода компрессора:
на фиг. 1 - общий вид двигателя для привода компрессора;
на фиг. 2 - сечение по А-А фиг. 1.The accompanying drawings show the design of the proposed engine for compressor drive:
in FIG. 1 is a general view of an engine for driving a compressor;
in FIG. 2 is a section along AA of FIG. 1.

Двигатель содержит ротор 1, снабженный цилиндрическим уступом 2. Ротор установлен на валу 3 и расположен в корпусе 4, к которому крепятся торцевые крышки 5 и 6. В корпусе 4 выполнен паз на длину ротора 1, в который установлен упор 7, приводимый в действие с помощью кулачкового механизма в виде кулачка 8, закрепленного на валу 3 ротора 1, толкателя 9 и возвратной пружины 10. В корпусе 4 по обе стороны от упора 7 выполнены два коллектора 11 и 12 для выпуска продуктов сгорания. В роторе 1 выполнено окно 13 и радиальные каналы 14 для подачи воздуха в камеру сгорания, которая представляет собой объем, образованный между упором 7 и цилиндрическим уступом 2 ротора 1 при повороте последнего на угол, равный углу окна 13. Заполнение камеры сгорания воздухом производится из камер 15, выполненных в торцевых крышках 5 и 6, через отверстие 16 в момент их совпадения с окном 13 ротора 1. В каждой из торцевых крышек 5 и 6 имеется впускной коллектор 17, подключенный трубопроводом 18 к воздушному компрессору 19, который приводится от двигателя. The engine comprises a rotor 1 provided with a cylindrical ledge 2. The rotor is mounted on the shaft 3 and is located in the housing 4, to which the end caps 5 and 6 are attached. In the housing 4, a groove is made for the length of the rotor 1, into which the stop 7 is mounted, driven by using a cam mechanism in the form of a cam 8, mounted on the shaft 3 of the rotor 1, the pusher 9 and the return spring 10. In the housing 4 on both sides of the stop 7 there are two collectors 11 and 12 for the release of combustion products. A window 13 and radial channels 14 for supplying air to the combustion chamber are made in the rotor 1, which is the volume formed between the stop 7 and the cylindrical ledge 2 of the rotor 1 when the latter is rotated by an angle equal to the angle of the window 13. The combustion chamber is filled with air from the chambers 15, made in the end caps 5 and 6, through the hole 16 at the moment of their coincidence with the window 13 of the rotor 1. In each of the end caps 5 and 6 there is an intake manifold 17 connected by a pipe 18 to the air compressor 19, which is driven by the engine.

Подача топлива осуществляется с помощью топливной системы, состоящей из насоса высокого давления 20 и форсунки 21, монтируемой на корпусе 4 в камере сгорания. The fuel is supplied using a fuel system consisting of a high pressure pump 20 and a nozzle 21 mounted on the housing 4 in the combustion chamber.

Радиальное уплотнение двигателя осуществляется за счет малых зазоров между упором 7 и ротором 1, а также корпусом 4 и уступом 2. Торцевое уплотнение осуществляется за счет малых зазоров между ротором 1 и крышками 5 и 6, а также за счет наддува воздуха в торцевые зазоры через осевые отверстия 22, выполненные в крышках 5 и 6 и расположенные только в рабочей зоне двигателя. The radial seal of the engine is carried out due to the small gaps between the stop 7 and the rotor 1, as well as the housing 4 and the step 2. The mechanical seal is carried out due to the small gaps between the rotor 1 and the covers 5 and 6, as well as due to the charge of air into the end gaps through the axial holes 22 made in the covers 5 and 6 and located only in the working area of the engine.

С целью сокращения тепловых потерь и более полного использования тепловой энергии двигатель имеет тепловую изоляцию 23. Для обеспечения нормального температурного режима работы подшипников 24 в торцевых крышках предусмотрены каналы 25 для подачи охлаждающей воды. In order to reduce heat loss and make better use of thermal energy, the engine is thermally insulated 23. In order to ensure normal temperature operation of the bearings 24, channels 25 for supplying cooling water are provided in the end caps.

Рабочий цикл совершается следующим образом. The working cycle is as follows.

В момент, соответствующий положению ротора 1, отраженному на фиг. 1, 2, начинается подача в камеру сгорания воздуха под давлением 3,0 - 3,5 МПа и температурой 550 - 600^oC. Воздух поступает из камер 15 через отверстия 16, выполненные в крышках 5 и 6, впускное окно 13 и радиальные каналы 14 ротора 1 в зазор между упором 7 и уступом 2. Процесс подачи воздуха продолжается до тех пор, пока ротор 1 не повернется на угол, равный угловому размеру впускного окна 13. При этом объем, описанный торцом уступа 2 относительно торца неподвижного упора 7, эквивалентен объему камеры сгорания. В момент отсечки подачи воздуха (конец такта впуска) через форсунку 21 происходит впрыск топлива в камеру сгорания и воспламенение горючей смеси под действием высокой температуры воздуха. Процесс горения сопровождается большим тепловыделением и протекает некоторое время при постоянном давлении, после чего начинается процесс расширения, сопровождающийся падением давления (рабочий ход). При определенном угле поворота ротора 1 (конец рабочего хода) торец уступа 2 со стороны упора 7 проходит окно выпускного коллектора 11, что приводит к выхлопу отработанных газов из рабочего объема в атмосферу и выравниванию давлений с обеих сторон упора благодаря наличию второго выпускного коллектора 12. Дальнейший поворот ротора 1 сопровождается выталкиванием (такт выпуска) отработавших газов в атмосферу и подъемом упора 7, который производится под действием кулачка 8 и толкателя 9. Профиль кулачка 8 выполнен таким образом, чтобы при подходе уступа 2 к выпускному коллектору 12 упор 7 был поднят на высоту, равную высоте уступа 2. В момент окончания прохождения уступа 2 под упором 7 последний под действием возвратной пружины 10 опускается, при этом остается небольшой радиальный зазор между ротором 1 и упором 7. Впускное окно 13 на роторе 1 вновь совпадает с отверстиями 16 на торцевых крышках 5 и 6, и рабочий цикл повторяется. Таким образом, рабочий цикл двигателя состоит из 3-х тактов: впуска, рабочего хода и выпуска, а такт сжатия выполняется вне рабочей камеры в воздушном компрессоре 19, где воздух, необходимый для работы двигателя, сжимается до давления 3,0 - 3,5 МПа и температуры 550 - 600^oC. Сжатый воздух по изолированному трубопроводу 18 через коллекторы впуска 17 поступает в камеры 15, выполненные в торцевых крышках 5 и 6.At the moment corresponding to the position of the rotor 1 shown in FIG. 1, 2, the supply of air to the combustion chamber begins at a pressure of 3.0 - 3.5 MPa and a temperature of 550 - 600 ^o C. Air enters from the chambers 15 through openings 16 made in the covers 5 and 6, the inlet window 13 and the radial channels 14 of the rotor 1 into the gap between the stop 7 and the step 2. The air supply process continues until the rotor 1 rotates by an angle equal to the angular size of the inlet window 13. The volume described by the end face of the step 2 relative to the end face of the fixed stop 7 is equivalent volume of the combustion chamber. At the time of the cutoff of the air supply (end of the intake stroke) through the nozzle 21, fuel is injected into the combustion chamber and the combustible mixture ignites under the influence of high air temperature. The combustion process is accompanied by large heat release and proceeds for some time at constant pressure, after which the expansion process begins, accompanied by a drop in pressure (working stroke). At a certain angle of rotation of the rotor 1 (end of the stroke), the end face of the ledge 2 from the stop 7 passes the exhaust manifold window 11, which leads to exhaust gas exhaust from the working volume into the atmosphere and pressure equalization on both sides of the stop due to the second exhaust manifold 12. Further the rotation of the rotor 1 is accompanied by pushing (exhaust cycle) of the exhaust gases into the atmosphere and lifting the stop 7, which is performed under the action of the cam 8 and the pusher 9. The profile of the cam 8 is designed so that when approaching the stupa 2 to the exhaust manifold 12, the stop 7 was raised to a height equal to the height of the ledge 2. At the end of the passage of the ledge 2 under the stop 7, the latter falls under the action of the return spring 10, while there remains a small radial clearance between the rotor 1 and the stop 7. Inlet window 13 on the rotor 1 again coincides with the holes 16 on the end caps 5 and 6, and the duty cycle is repeated. Thus, the engine’s duty cycle consists of 3 cycles: inlet, stroke and exhaust, and the compression cycle is performed outside the working chamber in the air compressor 19, where the air necessary for the engine to work is compressed to a pressure of 3.0 - 3.5 MPa and temperatures 550 - 600 ^o C. Compressed air through an insulated pipe 18 through the inlet manifolds 17 enters the chambers 15, made in the end caps 5 and 6.

В компрессоре 19 осуществляется также компремирование с требуемыми параметрами воздуха, отбираемого к потребителю, при этом межступенчатая обвязка компрессора и магистраль подачи воздуха к потребителю условно не показаны. Compressor 19 also carries out compression with the required parameters of the air drawn to the consumer, while the inter-stage piping of the compressor and the air supply line to the consumer are not conventionally shown.

Торцевое уплотнение рабочего газа в процессе тактов сгорания и расширения происходит за счет отбора из камер 15 воздуха и наддува его в щелевой зазор между ротором 1 и крышками 5 и 6 через осевые отверстия 22, выполненные в секторе от начала упора 7 до выпускного коллектора 11. Это позволяет произвести не только уплотнение рабочего объема двигателя, но и осуществить эффективную его продувку от продуктов сгорания. The mechanical seal of the working gas in the process of combustion and expansion is due to the selection of air from the chambers 15 and pressurizing it into the gap between the rotor 1 and the covers 5 and 6 through axial holes 22 made in the sector from the beginning of the stop 7 to the exhaust manifold 11. This allows you to not only seal the working volume of the engine, but also to carry out its effective purge from combustion products.

Как видно из описания работы и конструкции предлагаемого двигателя в нем в отличие от двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто, Дизеля или смешанному циклу, процессы сжатия воздуха и сгорания рабочей смеси разделены. Это упрощает конструкцию двигателя, снижает его весогабаритные данные, а отсутствие механического уплотнения во вращающейся паре ротор - цилиндр и использование в торцевом уплотнении рабочей камеры двигателя того же воздуха, с одной стороны, позволяет повысить надежность работы, а с другой - термоизолировать и приблизить эффективность рабочего цикла к эффективности адиабатного двигателя. As can be seen from the description of the operation and design of the proposed engine in it, unlike internal combustion engines operating in the Otto, Diesel or mixed cycle cycles, the processes of air compression and combustion of the working mixture are separated. This simplifies the design of the engine, reduces its weight and size data, and the absence of a mechanical seal in a rotating pair of rotor-cylinder and the use of the same air in the mechanical seal of the working chamber of the engine, on the one hand, allows to increase the reliability of work, and on the other, to insulate and approximate the efficiency of the worker cycle to adiabatic engine efficiency.

Источники информации:
1. Егоров Л.А. и др. Автомобильные поршневые компрессоры. - М.: Машгиз, 1957.Sources of information:
1. Egorov L.A. etc. Automotive piston compressors. - M .: Mashgiz, 1957.

2. 3ахарченко С.Е. и др. Поршневые компрессоры. - М., Л.: Машгиз, 1961. 2. 3akharchenko S.E. and other reciprocating compressors. - M., L .: Mashgiz, 1961.

3. Орлин А.С. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1970. 3. Orlin A.S. The device and operation of piston and combined engines. - M.: Mechanical Engineering, 1970.

4. US 3989011 A, 1979. 4. US 3989011 A, 1979.

Claims

1. A device for driving a compressor, made in the form of a housing with end caps and a rotor located therein, containing a combustion chamber, a fuel system in the form of a pump and nozzle, an air compressor, a compressor high-temperature compressed air intake manifold and combustion products, characterized in that it is equipped with a stop installed in a groove made in the housing to the length of the rotor, and a cam drive to drive the stop, the rotor is equipped with a cylindrical ledge, a window and radial channels for supplying air to the combustion chamber, the end caps are equipped with chambers for compressed high-temperature air, connected through the intake manifolds to the air compressor, and openings for supplying air to the rotor window, while the exhaust manifolds are located on opposite sides of the stop, and the rotor is equipped with an end air seal communicated through openings in covers with chambers for compressed high-temperature air.

2. The device according to p. 1, characterized in that it is made with thermal insulation.