RU2416726C1

RU2416726C1 - Rotary engine

Info

Publication number: RU2416726C1
Application number: RU2009135134/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Еремин (RU); Борис Георгиевич Еремин; Сергей Владимирович Мартынов (RU); Сергей Владимирович Мартынов; Александр Петрович Ситников (RU); Александр Петрович Ситников; Алексей Николаевич Царьков (RU); Алексей Николаевич Царьков
Original assignee: Межрегиональное общественное учреждение "Институт инженерной физики"
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-04-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed rotary engine comprises stator to accommodate rotor. Intake line houses throttle valve. Fuel plasma converter is arranged behind said throttle valve to prepare fuel-air mix with preset physical-chemical properties and to allow controlling working mix preparation. Rotator engine combustion chamber is divided into two spaces, one to be filled with enriched fuel mix that accommodates spark plugs and another one to be filled with depleted mix or clean air. Rotor engine stator is furnished with spherical whirlpool chamber arranged in the zone of epitrochoids' small axis whereto two spark plugs and fuel injector are screwed.

EFFECT: improved ecology, expanded operating performances.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания, работающим как на легком, так и на тяжелом углеводородном топливе.The invention relates to engine building, in particular to rotary internal combustion engines operating both on light and heavy hydrocarbon fuels.

Известно техническое решение, а именно двигатель с разделенными камерами сгорания, состоящий из основной и вспомогательной камер, с размещенными в вспомогательной камере форсункой и свечой накаливания. Это одно из технических решений конвертирования бензинового поршневого двигателя в дизель. Смотри источник: Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль. - М.: "Машиностроение", 1987 г., с.134…135, рис.67.A technical solution is known, namely, an engine with separated combustion chambers, consisting of the main and auxiliary chambers, with a nozzle and glow plug placed in the auxiliary chamber. This is one of the technical solutions for converting a gasoline piston engine into diesel. See source: Matskerle U. Modern economical car. - M .: "Mechanical Engineering", 1987, p.134 ... 135, Fig. 67.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции при реализации в производстве и организации внутрикамерных процессов сгорания при работе с различными сортами моторного топлива.The disadvantage of this technical solution is the design complexity in the implementation in the production and organization of intracameral combustion processes when working with various grades of motor fuel.

Известен роторный двигатель, оборудованный устройством подготовки топливовоздушной смеси (Патент РФ №2288366, F02B 55/16, 2006.01.). Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус, внутри которого расположен ротор, в тракте впуска смонтированы дроссельная заслонка и топливоподающее устройство (форсунка). Канал впускного тракта образован внутри корпуса роторного двигателя и огибает корпус. Подогрев топливовоздушной смеси осуществляется за счет теплопередачи от нагретых зон статора, улучшая таким образом эффективность процесса смесеобразования.Known rotary engine equipped with a device for preparing the air-fuel mixture (RF Patent No. 2288366, F02B 55/16, 2006.01.). The essence of the invention lies in the fact that the engine contains a housing inside which the rotor is located, a throttle valve and a fuel supply device (nozzle) are mounted in the intake path. The inlet channel is formed inside the rotary engine housing and surrounds the housing. The air-fuel mixture is heated by heat transfer from the heated zones of the stator, thereby improving the efficiency of the mixture formation process.

Недостатком данного роторного двигателя является значительное ухудшение свойств наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью, увеличивается площадь испарения остатков топлива при неработающем двигателе, что приводит к увеличению уровня СН.The disadvantage of this rotary engine is a significant deterioration in the filling properties of the combustion chamber with a fuel-air mixture, the area of evaporation of fuel residues with an idle engine increases, which leads to an increase in the level of CH.

Известен также роторно-поршневой двигатель с впрыском топлива (Патент РФ №2172851, МПК F02B 55/16). Роторно-поршневой двигатель преимущественно с впрыском топлива содержащий корпус (статор), внутри которого размещен ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка и форсунка для впрыска топлива, канал впускного тракта образован внутри корпуса.Also known is a rotary piston engine with fuel injection (RF Patent No. 2172851, IPC F02B 55/16). A rotary piston engine is predominantly fuel injected, comprising a housing (stator), inside of which a rotor is located, an intake tract in which a throttle valve and a fuel injector are mounted, an intake duct is formed inside the housing.

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения подготовки топливовоздушной смеси при работе на тяжелом углеводородном топливе (дизельное топливо, керосин) и его запуск.The disadvantage of the prototype is the inability to ensure the preparation of the air-fuel mixture when working on heavy hydrocarbon fuel (diesel fuel, kerosene) and its launch.

В качестве прототипа рассмотрен многотопливный роторный двигатель (патент РФ №2334883, от 27.09.2008, F02B 55/16), содержащий корпус (статор), внутри которого размещен трехгранный ротор, тракт впуска, в котором смонтирована дроссельная заслонка, в тракте впуска за дроссельной заслонкой установлен плазменный конвертор топлива, снабженный резьбой и прикрепленный к посадочному месту тракта впуска.A multi-fuel rotary engine (RF patent No. 23334883, dated September 27, 2008, F02B 55/16) comprising a housing (stator), inside which a trihedral rotor, an intake path, in which a throttle valve is mounted, in the intake path after the throttle valve, is considered, is considered as a prototype the flap is equipped with a plasma fuel converter, threaded and attached to the seat of the intake path.

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения высокой скорости и полноты сгорания топливовоздушной смеси. Не решена проблема глубокого расслоения заряда в камере сгорания. Невозможность использования сильно обедненной смеси с массовым соотношением воздух/топливо, равным 19 (α=1.27…1.28).The disadvantage of the prototype is the inability to ensure high speed and completeness of combustion of the air-fuel mixture. The problem of deep separation of charge in the combustion chamber is not solved. The inability to use a very depleted mixture with a mass ratio of air / fuel equal to 19 (α = 1.27 ... 1.28).

Целью предлагаемого изобретения является получение высокой скорости и полноты сгорания топливовоздушной смеси, улучшение технико-экономических характеристик роторного двигателя, реализация расслоения заряда как средства улучшения топливной экономичности и существенного снижения токсичности роторных двигателей, обеспечение работы роторного двигателя на обедненных смесях с сохранением максимальной мощности, повышение экологической чистоты двигателя в целом.The aim of the invention is to obtain high speed and completeness of combustion of the air-fuel mixture, improve the technical and economic characteristics of the rotary engine, implement stratification of the charge as a means of improving fuel economy and significantly reduce the toxicity of rotary engines, ensure the operation of the rotary engine in lean mixtures while maintaining maximum power, increase environmental engine cleanliness in general.

Поставленная цель достигается тем, что роторный двигатель, содержащий корпус (статор), внутри которого размещен ротор, в тракте впуска смонтированную дроссельную заслонку, а за дроссельной заслонкой установлен плазменный конвертор топлива, позволяющий создавать топливовоздушную смесь с заданными физико-химическими свойствами для регулирования подготовки рабочей смеси и имеющий разделенную на две полости камеру сгорания, одна из которых, где расположены свечи зажигания, заполняется обогащенной смесью, а другая - обедненной смесью или чистым воздухом, на корпусе роторного двигателя в районе малой оси эпитрохоид установлена сферическая вихревая камера (форкамера), к которой жестко с помощью резьбы крепятся две свечи зажигания и топливная форсунка.This goal is achieved by the fact that the rotary engine containing the housing (stator), inside which the rotor is placed, has a mounted throttle valve in the intake duct, and a plasma fuel converter is installed behind the throttle valve, which allows creating an air-fuel mixture with specified physicochemical properties to regulate the preparation of the working mixture and having a combustion chamber divided into two cavities, one of which, where the spark plugs are located, is filled with an enriched mixture, and the other with a lean mixture or istym air to the rotary motor housing in the area of small spherical epitrochoid axis installed vortex chamber (antechamber), which is rigidly threadedly mounted two spark plugs and fuel injector.

Новизна достигается тем, что воспламенение рабочей смеси в основной камере сгорания роторного двигателя осуществляется не непосредственно искрой свечи зажигания, а факелом пламенных газов, образующихся при сгорании очень небольшого количества обогащенной смеси в сферической вихревой камере (форкамере), отделенной от основной камеры узким сопловым отверстием. Наличие в форкамере обогащенной и к тому же в большей степени разбавленной остаточными газами смеси препятствует образованию в ней окислов азота, а процесс дожигания продуктов неполного сгорания такой обогащенной смеси в результате их смешения с воздухом, находящимся в камере сгорания роторного двигателя, происходит уже при существенно пониженных температурах в такте расширения. Объем сферической вихревой камеры составляет 3…4% всего объема камеры сжатия, что позволяет формировать рабочую смесь пропорционально развиваемой двигателем мощности и улучшать тем самым его технические характеристики и экологическую безопасность.The novelty is achieved in that the ignition of the working mixture in the main combustion chamber of a rotary engine is carried out not directly by a spark plug, but by a torch of flame gases generated during the combustion of a very small amount of enriched mixture in a spherical vortex chamber (prechamber), separated from the main chamber by a narrow nozzle opening. The presence in the prechamber of the mixture enriched and, moreover, to a greater extent diluted with residual gases prevents the formation of nitrogen oxides in it, and the process of afterburning of products of incomplete combustion of such an enriched mixture as a result of their mixing with air in the combustion chamber of the rotary engine occurs already at significantly lower temperatures in the expansion stroke. The volume of the spherical vortex chamber is 3 ... 4% of the total volume of the compression chamber, which allows you to form a working mixture in proportion to the power developed by the engine and thereby improve its technical characteristics and environmental safety.

В соответствии с фигурой 1 роторный двигатель содержит: корпус (статор) 1, внутри которого расположен трехгранный ротор 2, тракт впуска 3, выполненный в виде патрубка, жестко скрепленного с корпусом (статором) 1, в тракте впуска 3 смонтированы дроссельная заслонка 4 и плазменный конвертор топлива 5, на корпусе в районе малой оси эпитрохоид установлена сферическая вихревая камера (форкамера) 6, к которой жестко с помощью резьбы крепятся две свечи зажигания 7 и топливная форсунка 8. Свечи зажигания 7 установлены на входе в форкамеру 6, поскольку испытания показали, что это место является оптимальным для их размещения. Достижению лучших результатов способствует зажигание двумя свечами 7, расположенными друг против друга в форкамере 6, что значительно сократило путь пламени. Сферическая вихревая камера (форкамера) 6 отделена от основной камеры сгорания 10 роторного двигателя узким сопловым отверстием 9.In accordance with figure 1, the rotary engine contains: a housing (stator) 1, inside of which a trihedral rotor 2 is located, an intake path 3 made in the form of a pipe rigidly fastened to the housing (stator) 1, a throttle valve 4 and a plasma are mounted in the intake path 3 fuel converter 5, a spherical vortex chamber (prechamber) 6 is mounted on the housing in the vicinity of the minor axis of the epitrochoid, to which two spark plugs 7 and fuel nozzle 8 are rigidly fastened with thread. Spark plugs 7 are installed at the entrance to the prechamber 6, since the test Studies have shown that this place is optimal for their placement. The achievement of the best results is facilitated by the ignition of two candles 7, located opposite each other in the chamber 6, which significantly reduced the path of the flame. The spherical vortex chamber (prechamber) 6 is separated from the main combustion chamber 10 of the rotary engine by a narrow nozzle opening 9.

В процессе работы роторного двигателя воздух, проходя через впускной тракт 3, и топливо, подаваемое через плазменный конвертор 5, смешиваются и топливовоздушная смесь заданного состава подается в камеру сгорания 10, через дополнительную впускную систему (на фиг.1 не показана) в форкамеру 6 подается сильно обогащенная смесь такого состава, чтобы в результате ее смешения с обедненной смесью, поступающей из полости сжатия 11, в форкамере 6 образовалась богатая смесь состава α=0,6…0,8, обеспечивающая наиболее благоприятные условия воспламенения и развития начального очага горения. Гарантированное искровое зажигание происходит посредством свечей 7, расположенных друг против друга в форкамере 6, что значительно сокращает путь пламени. Воспламенение смеси искрой свечей 7 осуществляется за 15…20° угла поворота коленчатого вала до прихода трехгранного ротора 2 в верхнюю мертвую точку. Давление в форкамере 6 быстро повышается, и сгоревшие и еще продолжающие гореть активные пламенные газы выбрасываются с высокими скоростями в основную камеру сгорания 10.In the process of operation of the rotary engine, air passing through the inlet tract 3 and the fuel supplied through the plasma converter 5 are mixed and the air-fuel mixture of a given composition is supplied to the combustion chamber 10, through an additional intake system (not shown in Fig. 1) to the prechamber 6 a highly enriched mixture of such a composition that, as a result of its mixing with the depleted mixture coming from the compression cavity 11, a rich mixture of the composition α = 0.6 ... 0.8 is formed in the chamber 6 providing the most favorable ignition conditions and p development of the initial burning site. Guaranteed spark ignition occurs through candles 7, located opposite each other in the chamber 6, which significantly reduces the path of the flame. Ignition of the mixture with spark candles 7 is carried out for 15 ... 20 ° of the angle of rotation of the crankshaft until the trihedral rotor 2 arrives at top dead center. The pressure in the pre-chamber 6 rises rapidly, and the burnt and still burning active flame gases are ejected at high speeds into the main combustion chamber 10.

На границах вытекающих факелов происходит энергичное смешение пламенных газов со смесью в основной камере 10, в результате чего она воспламеняется в ряде точек. Такое энергичное воспламенение в значительных объемах приводит к тому, что в основной камере 10 оказываются способными гореть с достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси при α=1,5…1,6. Воспламеняются и значительно более бедные смеси, но достаточно быстрое их сгорание наблюдается лишь в зоне действия форкамерных факелов.At the boundaries of leaking flames, vigorous mixing of flame gases with the mixture in the main chamber 10 occurs, as a result of which it ignites at a number of points. Such vigorous ignition in significant volumes leads to the fact that in the main chamber 10 they are able to burn highly depleted mixtures at sufficiently high speeds at α = 1.5 ... 1.6. Significantly poorer mixtures are ignited, but their rather rapid combustion is observed only in the zone of action of prechamber flares.

Регулярность воспламенения и скорость сгорания в форкамерах оказываются исключительно высокими, причем интервал времени от момента проскакивания искры до достижения максимума давления в форкамере, при работе двигателя на полных и средних нагрузках не превышает 5…6° угла поворота коленчатого вала. Это объясняется не только наличием в форкамере обогащенной смеси, но и ее интенсивной мелкомасштабной турбулизацией, а также тем, что сгорание развивается в условиях небольшого полузамкнутого объема, что уменьшает рассеивание энергии искрового разряда свечей 7 и потери тепла на расширение. Давление в форкамере 6 быстро возрастает, продолжающие догорать газы выбрасываются с большой скоростью через сопловое отверстие 9.The regularity of ignition and the combustion rate in the prechambers are extremely high, and the time interval from the moment the spark jumps to the maximum pressure in the prechamber when the engine is running at full and medium loads does not exceed 5 ... 6 ° of the crankshaft rotation angle. This is explained not only by the presence of an enriched mixture in the prechamber, but also by its intense small-scale turbulization, as well as the fact that combustion develops in a small semi-closed volume, which reduces the dissipation of spark energy of candles 7 and heat loss due to expansion. The pressure in the pre-chamber 6 increases rapidly, the gases that continue to burn out are ejected at high speed through the nozzle opening 9.

За счет применения электронного блока управления с использованием микропроцессора (на фиг.1 не показаны) можно выбирать оптимальные варианты подачи топливной смеси конвертором, изменять энергетику электрической дуги и количественные соотношения топлива и воздуха, что делает процесс смесеобразования топливовоздушной смеси регулируемым и эффективным на всех режимах работы роторного двигателя независимо от используемого углеводородного топлива.Due to the use of an electronic control unit using a microprocessor (not shown in Fig. 1), it is possible to choose the optimal options for supplying the fuel mixture with a converter, change the energy of the electric arc and the quantitative ratio of fuel and air, which makes the process of mixing air-fuel mixture adjustable and efficient in all operating modes rotary engine regardless of the hydrocarbon fuel used.

На малых нагрузках топливо впрыскивается только в вихревую камеру 6, а в основную камеру сгорания 10 подается чистый воздух. На больших нагрузках в основную камеру 10 поступает обедненная топливовоздушная смесь, подготовленная и подаваемая через плазматрон 5.At low loads, fuel is only injected into the vortex chamber 6, and clean air is supplied to the main combustion chamber 10. At high loads, the depleted air-fuel mixture, prepared and supplied through the plasmatron 5, enters the main chamber 10.

Технико-экономическая эффективность заключается в том, что это приводит к существенной экономии топлива на частичных нагрузках при практически таком же его удельном расходе на максимальной мощности, как в аналогичном двигателе с обычным искровым зажиганием, одновременно существенно снижается токсичность отработавших газов.Technical and economic efficiency consists in the fact that this leads to significant fuel economy at partial loads with almost the same specific consumption at maximum power as in a similar engine with conventional spark ignition, while the toxicity of exhaust gases is significantly reduced.

Claims

A rotary engine containing a housing (stator), inside which the rotor is located, a throttle valve is mounted in the intake duct, and a plasma fuel converter is installed behind the throttle valve, which allows creating an air-fuel mixture with specified physicochemical properties, with the possibility of regulating the process of preparing the working mixture, which differs the fact that the combustion chamber of the rotary engine is divided into two cavities, one of which, where the spark plugs are located, is filled with an enriched mixture, and the other with a lean cm Sue or clean air, and a rotary motor housing in the area of small spherical epitrochoid axis installed vortex chamber to which tightly threadedly mounted two spark plugs and fuel injector.