устройство для привода компрессора

Формула изобретения

1. Устройство для привода компрессора, выполненное в виде корпуса с торцевыми крышками и расположенного в нем ротора, содержащее камеру сгорания, топливную систему в виде насоса и форсунки, воздушный компрессор, коллекторы впуска сжатого высокотемпературного воздуха компрессора и выпуска продуктов сгорания, отличающееся тем, что оно снабжено 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 впуска 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.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с тепловой изоляцией.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в качестве привода компрессоров.

В передвижных установках в качестве привода компрессора широкое распространение получил двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом или двигатель свободнопоршневого типа [1], [2].

Недостатками указанного привода являются:

- громоздкость и сложность конструкции;

- ненадежность;

- низкая термодинамическая эффективность из-за высоких потерь тепла, уносимого охлаждающей водой.

Известен также двигатель для привода компрессора, имеющий ротор, установленный в корпусе с торцевыми крышками, камеру сгорания и топливную систему [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.

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].

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.

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.

С целью повышения термического КПД двигатель выполнен с тепловой изоляцией.

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".

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.

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.

Подача топлива осуществляется с помощью топливной системы, состоящей из насоса высокого давления 20 и форсунки 21, монтируемой на корпусе 4 в камере сгорания.

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.

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.

Рабочий цикл совершается следующим образом.

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.

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.

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.

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.

Источники информации:

1. Егоров Л.А. и др. Автомобильные поршневые компрессоры. - М.: Машгиз, 1957.

2. 3ахарченко С.Е. и др. Поршневые компрессоры. - М., Л.: Машгиз, 1961.

3. Орлин А.С. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1970.

4. US 3989011 A, 1979.