RU2528796C2 - Двигатель внутреннего сгорания: 6-ти тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными роторными секциями разного назначения, камерами сгорания неизменного объема, расположенными в рабочих роторах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит в корпусе несколько полых роторных секций двух типов технологического назначения: компрессорную роторную секцию и силовую роторную секцию. В каждой роторной секции расположен цилиндрический ротор с лопастями. Двигатель имеет симметрично размещенные цилиндрические полые гнезда, где установлены запорные барабаны. Объемное взаиморасположение наружной поверхности ротора и кольцевой внутренней поверхности корпуса, а также поверхностей лопастей ротора и поверхностей запорных барабанов образует рабочие камеры - сегменты «расширения» и сегменты «сжатия». Двигатель имеет через шестеренчатые передачи привод от главного вала на валы запорных барабанов. Каждая роторная секция оснащена окнами для газообмена. В корпусе двигателя на одну компрессорную роторную секцию приходится две силовые роторные секции. Компрессорная роторная секция размещена между двумя силовыми роторными секциями. К каждой из двух торцевых поверхностей компрессорной секции примыкает одна торцевая поверхность каждой из двух силовых роторных секций. В имеющих возможность вращаться роторах силовых роторных секций устроены камеры сгорания. Изобретение направлено на повышение мощности и КПД двигателя. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области двигателестроения, его возможно применять везде, где используются двигатели внутреннего сгорания.

Уровень техники

В настоящее время наиболее широко в качестве стационарных энергоустановок и силовых приводов транспортных средств используются поршневые, заметно реже роторные (системы Ванкеля) двигатели внутреннего сгорания (ДВС) или газовые турбины (ГТ). Классические поршневые ДВС двухтактного и четырехтактного цикла известны с 60-х и 70-х годов XIX века (С. Балдин, «Двигатели внутреннего горения», Прага, Имка-пресс, 1923 г.). Подвижный цилиндрический поршень совершает линейные возвратно-поступательные движения внутри неподвижного цилиндра. Поршень соединен шатуном с коленчатым валом. При горении предварительно сжатой смеси паров топлива и воздуха в герметично замкнутом пространстве между поршнем и цилиндром за счет повышения давления горячих газов осуществляется одновременное с процессом горения линейное рабочее движение поршня, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное движение коленвала и возвратно-поступательное движение самого поршня.

Рабочий цикл, например, 4-тактных двигателей состоит из последовательных технологических этапов - тактов: всасывание (впуск) рабочей смеси, сжатие рабочей смеси, воспламенение рабочей смеси с расширением рабочего тела (собственно рабочий ход), выпуск отработавших газов. Каждый такт - технологический процесс реализуется за одно движение вверх или вниз поршня в цилиндре и занимает половину оборота коленчатого вала двигателя. Т.е. из 4 тактов за 2 оборота коленчатого вала рабочим, что совершает работу и развивает полезную мощность, оказывается лишь один - рабочий ход, т.е. такт «горение-расширение». Он развивается на протяжении 0,5 части кругового оборота вала из 2-х оборотов полного рабочего цикла, т.е. рабочий ход составляет 0,25 часть от каждого оборота вала.

Известны конструкции роторных двигателей с планетарным движением рабочего элемента, из которых наиболее известен роторный двигатель Ф. Ванкеля и В. Фреде, созданный в 1957 году (Г.С. Маджуга, В.Х. Подойница. Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Знание, 1964 г.). Треугольный ротор обкатывается вокруг зубчатого колеса, закрепленного на боковой крышке двигателя, сцепляясь с ним внутризубчатым венцом, при этом вершины угла ротора скользят по эпитрахоиде - внутренней поверхности рабочей камеры двигателя, которая имеет форму двух сопряженных цилиндров. При вращении ротора между стенками корпуса и гранями ротора происходит последовательное изменение объемов, т.е. происходят последовательно процессы сжатия-расширения четырехтактного двигателя.

Также с 17-го века известны роторные двигатели с уплотнительными лопатками (роторно-лопастные), современный вариант схемы подобной машины в 1911 году разработал А. Цоллер как «роторный компрессор», (С.Б. Зеленецкий, Е.Д. Рябков, А.Г. Микеров. Ротационные пневматические двигатели. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1976 г.). В круглой или овальной камере корпуса расположен ротор, ось вращения которого смещена относительно центра цилиндрической поверхности корпуса. В теле ротора размещены подвижные лопасти, которые могут по радиальным направлениям выдвигаться и упираться краями в стенки корпуса. Разница высоты выдвижения соседних лопастей приводит к разнице их площади, поэтому при подаче внутрь пространства между соседними лопастями давления возникает движущая сила в сторону лопатки с большей площадью, которая и вращает ротор. Однако из-за принципиальных недостатков этой конструкции на базе данного технологического принципа до сих пор так и не создано качественно работающего ДВС, хотя пневматические моторы, реализующие этот принцип, работают давно и успешно.

С 1791 года известен принцип газовой турбины (Г.Гюльднер. Газовые, нефтяные и прочие двигатели внутреннего сгорания. - М.: Типо-литография товарищества Кушнерев и Компания, 1907 г.). В такой схеме тепловой машины рабочие газы горящего топлива, вырывающиеся из камеры сгорания через сопло, попадают на лопатки колеса турбины и приводят ее в движение.

Поршневые двигатели при относительно высоком КПД и хорошем моторесурсе имеют сложную конструкцию из-за наличия кривошипно-шатунного механизма с большим количеством знакопеременных инерционных нагрузок и возвратно-поступательных движений, сложный газораспределительный механизм с его приводом, невысокую удельную мощность и ограничения по наращиванию количества оборотов и силы крутящего момента.

Роторные двигатели Ванкеля и Фреде обладают высокой удельной мощностью при относительно простой конструкции, но имеют высокий уровень температуры и токсичности выхлопных газов, как и большую теплонапряженность и скорость износа основных деталей, обладают высоким расходом топлива и не обладают преимуществом по величине крутящего момента, перед поршневыми моторами, а также имеют сложные в изготовлении главные детали.

Недостатками турбин при их высокой мощности являются низкая экономичность и малая приемистость, высокие требования к жаропрочности материалов, как и невозможность создать турбину малых массо-габаритных параметров с хорошими тактико-техническими характеристиками.

Низкий КПД существующих двигателей внутреннего сгорания связан, прежде всего, с совмещением двух разных тактов (технологических процессов): такта «горение-образование рабочего тела» и такта «расширение рабочего тела», в одном объединенном такте «горение-расширение». В таком одном объединенном такте два разных процесса осуществляются плохо и не полноценно. Расширение в условиях процесса горения ставит механизм, в котором осуществляется такой процесс расширения, в экстремальные условия работы, а горение в условиях резкого расширения при уменьшающемся давлении и падающей температуре осуществляется не полным образом. В итоге для осуществления такого компромиссного варианта течения разных по сути технических процессов в одном такте существующие двигатели приходится охлаждать и мириться с отведением на выхлоп отработавших газов горения с очень высокой температурой. При этом тепловой баланс современного двигателя внутреннего сгорания в среднем варианте конструктивного исполнения получается таким:

30% - тепло, переводимое в полезную работу;

30% - тепло, отводимое через систему охлаждения;

40% - тепло, отводимое с выпуском отработавших газов горения;

Т.е. средний термодинамический КПД современных двигателей внутреннего сгорания не превышает 30%.

Ближайшим аналогом заявляемого автором изобретения ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: 6-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными роторными секциями разного назначения, камерами сгорания неизменного объема, расположенными в рабочих роторах, является конструкция «РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» (Rotary internal combustion engine), патент на изобретение США №3,699,930, который является попыткой сконструировать роторный двигатель внутреннего сгорания с простым вращением рабочих элементов и раздельными секциями сжатия и расширения рабочего тела. Конструкция изобретения - ближайшего аналога, базируется на известной схеме двигателя Беймана (см. Е.И. Акатов, B.C. Бологов и др. Судовые роторные двигатели. - Л.: Судостроение, 1967 г., стр.34). Роторный двигатель - ближайший аналог заявляемого изобретения содержит в корпусе два технологических блока в виде роторных секций, каждый в своей полости. В каждой полости вращается ротор с двумя лопастями и имеется по два запорных барабана. Первый технологический блок (роторная секция) является секцией сжатия рабочей смеси (компрессор), а второй технологический блок (роторная секция) является секцией сгорания-расширения (силовая машина или силовая роторная секция).

Каждый технологический блок работает за счет изменения объемов сжатия или расширения, образующихся при вращении роторов и запорных барабанов. За счет такого вращения роторов между лопастями ротора и поверхностями запорных барабанов образуются сегменты переменного объема.

Совпадающими существенными признаками между заявляемым изобретением и рассматриваемым ближайшим аналогом является разделение корпуса на разные технологические полости - камеры (роторные секции), где раздельно происходят процессы впуска-сжатия и расширения-выпуска рабочего тела. Также совпадающими признаками являются основные рабочие элементы двигателей - вращающиеся роторы, выполненные в виде дискообразных элементов с поршневыми лопастями, один из которых сжимает свежий заряд рабочей смеси, а другой - преобразует давление рабочих газов горения (рабочего тела) в механическое вращательное движение, как и работа в паре с каждым ротором запорных барабанов с полостями для пропуска вращающейся лопасти.

Причинами, препятствующими в рассматриваемом аналоге достижению высокого технического результата, являются следующие конструктивные просчеты:

- в указанной конструкции предлагается совмещать в одном такте два технологических процесса: процесс горения сжатой рабочей смеси и процесс расширения газов горения;

- в указанной конструкции предлагается впрыскивать сжатую смесь из роторной секции сжатия в роторную секцию расширения силовой машины в момент непрерывного и скоростного увеличения объема ее сегментов расширения. Это приведет к тому, что рабочая смесь из-за мгновенной потери давления и степени сжатия в быстро расширяющемся объеме сегментов расширения будет трудно поджигаться и плохо (не полностью) сгорать, ибо даже первоначальный этап горения должен будет происходить на линии мощного расширения объема камеры «сгорания-расширения». В обычных поршневых двигателях для борьбы с трудностями поджига и горения сжатой рабочей смеси на такте «расширения-рабочего хода» применяют «раннее зажигание», когда смесь поджигается искрой еще на завершающем этапе такта сжатия до достижения в такте сжатия Верхней Мертвой Точки. В конструкции ближайшего аналога такой возможности «раннего зажигания» не представляется возможным по чисто конструктивной компоновке и динамической схеме работы мотора, поэтому и указанный недостаток может оказаться совершенно непреодолимым на пути создания реально работающего мотора по этой схеме;

- в указанной конструкции большой (во многом непреодолимой) трудностью для осуществления реальных процессов газообмена оказывается большая длина канала перепуска сжатой рабочей смеси из сегмента сжатия компрессорной роторной секции в сегмент расширения силовой роторной секции. При такой компоновке указанного двигателя коротким канал перепуска сделать невозможно. По предварительным расчетам объем такого канала оказывается величиной до 2/3 объема сегмента сжатия, то есть основной процесс расширения сжатой Рабочей Смеси будет происходить не в сегменте расширения силовой роторной секции, а в канале - газоводе перепуска. Следовательно, в сегменте расширения силовой роторной секции Рабочая Смесь будет оказываться под малым давлением и тем более плохо поджигаться и гореть на линии скоростного расширения. Попытка уменьшить потери на расширение объема в канале перепуска за счет уменьшения его диаметра приведет к большим газодинамическим потерям на трение газов в узком и длинном канале при все тех же заметных потерях давления сжатого заряда Рабочей Смеси в этом канале при перепуске;

- в указанной конструкции элементами, которые производят процесс запирания и отпирания объемов сегментов сжатия компрессорной роторной секции и сегментов расширения силовой роторной секции, оказываются проточки - «ручьи» на торцевых поверхностях роторов обеих роторных секций. Это решение крайне неудачное, так как при короткой длине этих проточек - «ручьев» они не смогут обеспечивать процессы газообмена на всей длине хода лопастей роторов в сегментах силовой роторной секции, что будет резко ухудшать термодинамический КПД двигателя. А при значительной длине таких проточек - «ручьев», которые будут обеспечивать полноценные процессы газообмена, большая длина этих проточек - «ручьев» будет оказываться значительным «мертвым объемом», в котором сжатые газы при перепуске из одной роторной секции в другую будут бесполезно расширяться и терять свою степень сжатия;

- потери давления при перепуске сжатой Рабочей Смеси из одной роторной секции в другую в двух несовершенно сконструированных элементах двигателя - ближайшего аналога:

A) в длинных каналах - газоводах, устроенных в перегородке между роторными секциям;

B) в длинных проточках - «ручьях», устроенных на торцевых поверхностях роторов;

будут приводить к тому, что эти два элемента перепускного тракта, соединяясь в один канал большой длинны и значительного объема, будут составлять до 80% от объема сегмента сжатия. Следовательно, расширение сжатой Рабочей Смеси в мертвом пространстве этого канала будет «съедать» львиную долю степени сжатия и давления сжатия. По этой причине заряд сжатой Рабочей Смеси в секторе расширения, где он должен поджигаться, будет оказываться с минимальным избыточным давлением, и это делает практически невозможным его поджиг на линии скоростного расширения и дальнейшее горение;

- в указанной конструкции на роторах устроены по три лопасти, а запорных барабанов в роторных секциях устроено по два, и каждый запорный барабан имеет по две пропускные выемки, где будут проходить лопасти роторов. Из этого следует, что боковые цилиндрические поверхности роторов и запорных барабанов должны двигаться с разными линейными скоростями и на линии их контакта будет происходить трение - скольжение, что будет требовать активной смазки этих поверхностей;

- в указанной конструкции на роторах устроены по три лопасти, а запорных барабанов в роторных секциях устроено по два, и каждый запорный барабан имеет по две пропускные выемки, где будут проходить лопасти роторов. Из этого следует, что во время вращения роторов между их лопастями в определенные моменты времени будут образовываться «мертвые зоны» когда газы горения высокого давления, будут зажаты между двумя соседними лопастями ротора (в силовой роторной секции) и не будут производить полезную работу расширения. То же самое можно сказать и о компрессорной роторной секции: там в рабочих процессах будет на каждый оборот такой период, когда рабочая смесь будет зажата между соседними лопастями ротора и над ней не будет происходить работа сжатия. Наличие таких зон на каждый оборот вала в обеих роторных секция будет значительно снижать КПД рассматриваемого ближайшим аналогом двигателя;

Сущность изобретения

Задачей изобретения, которая реализована в этой конструкции, является создание компактного высокоэффективного двигателя внутреннего сгорания с КПД более 50%, в котором соединены следующие образцы высоких технических достижений, каждое из которых самостоятельно уже является значительной технической задачей:

- впервые реализована возможность полноценного сгорания сильно сжатой Рабочей Смеси в отдельной от сегмента расширения герметично запираемой камере сгорания, которая запирается для процесса сгорания на значительный срок, что позволяет рабочей топливной смеси сгорать полностью при нарастающей температуре и увеличивающемся давлении (изохорный процесс). Камера сгорания закрыта для горения в этом режиме рабочей смеси примерно 30 градусов по пути вращения главного вала при исполнении двигателя с двумя запорными барабанами;

- появляется возможность просто и естественно встроить в технологический цикл двигателя паровые такты, которые будут превращать в работу водяного пара высокого давления высокую температуру газов горения в сегменте расширения и высокую температуру нагрева стенок камеры сгорания;

- совмещение в одном непрерывном вращательном движении нескольких главных конструктивных элементов двигателя - роторов с рабочими лопастями, расположенных на одном рабочем валу, и согласованном с ними непрерывном вращательном движении запорных барабанов, одновременно многих вспомогательных и рабочих тактов за один оборот рабочего вала;

- технологические процессы (такты):

1) - такт «всасывание рабочей смеси»;

2) - такт «сжатие рабочей смеси»;

3) - такт «горение рабочей смеси - создание рабочих газов горения высокого давления»;

4) - такт «впрыск воды - образование пара высокого давления»;

5) - такт «расширение рабочего тела (рабочих ход)»;

6) - такт «выпуск отработавших газов»;

разделены в пространстве в разных технологических объемах, но совмещены по времени и осуществляются в разных технологических и конструктивных полостях двигателя одновременно и параллельно по времени;

- при вращении рабочих элементов двигателя создаются несколько герметично замкнутых камер расширения рабочего тела, поступательно и непрерывно увеличивающих свой объем, за счет чего осуществляется рабочий ход значительной длины, который использует до конца всю мощность избыточного давления рабочих газов и тем самым повышает термодинамический КПД рабочего такта, открывая выпускное окно для выхлопа рабочих газов в момент, когда они имеют уже минимальное остаточное давление и минимальную избыточную температуру. Этим путем реализуется высокий термодинамический КПД двигателя, бесшумность и чистота выхлопа;

- реализована возможность сделать объем сегментов расширения рабочего тела заметно больше (в разных значениях), чем объем сегментов сжатия;

- появляется возможность количественного управления оборотами двигателя (стандартное управление дроссельной заслонкой карбюратора) при обеспечении высокого коэффициента избытка воздуха (как в двигателе с воспламенением от сжатия - дизеле);

- за счет вышеописанных особенностей появляется возможность построить простой, но высокоэффективный двигатель с предварительным смесеобразованием в стандартном карбюраторе без применения сложных и дорогих дополнительных устройств современного смесеобразования - форсунок впрыска топлива, бензонасосов высокого давления и устройств принудительного наддува воздуха в цилиндры;

- отсутствуют возвратно-поступательные движения и знакопеременные нагрузки в кинематической схеме, передача мощности от рабочего тела на главный вал происходит только за счет вращательных движений, осуществляемых поступательно и непрерывно;

- развивается высокий крутящий момент с постоянным плечом силы на протяжении всего рабочего цикла двигателя, мало зависящий от оборотов мотора;

- достигнута высокая простота конструкции и значительная минимизация кинематической схемы двигателя, что является залогом прочной надежности и возможной невысокой цены при высоких технико-экономических показателях и привлекательных потребительских свойствах.

Поставленная задача изобретения решается через конструктивные особенности предлагаемого устройства: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: 6-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными роторными секциями разного назначения, камерами сгорания неизменного объема, расположенными в рабочих роторах, содержит неподвижный полый цилиндрический корпус, состоящий из трех технологических блоков. То есть корпус разделен перегородками на три технологические объемные полости - роторные секции. В каждой из трех роторных секций расположен цилиндрический ротор с рабочими лопастями, и все роторы двигателя жестко установлены на одном валу. Также в каждой роторной секции размещены запорные барабаны по числу рабочих лопастей роторов. Также на корпусе устроен редуктор привода в движение запорных барабанов.

Особенность изобретения - схема взаимного расположения роторных секций двигателя: двух силовых роторных секций (секции «расширения-выпуска») с их рабочими роторами, в которых устроены камеры сгорания, и компрессорной роторной секции (секции «впуска - сжатия») с ее ротором, при этом компрессорная роторная секция размещена между силовыми роторными секциями. Также имеет заметное значение для получения высокого результата мест расположения впускных, выпускных окон и перепускных каналов для рабочих газов, позволяющих производить во всех технологических сегментах двигателя несколько тактов (однородных технологических процессов) «впуска», «сжатия», «горения», «расширения» и «выпуска» согласованно и одновременно при предельно короткой протяженности этих каналов. Все эти конструктивные элементы в едином объемно-компоновочном комплексе создают взаимно согласованные по рабочим тактам и периодически размыкаемые - замыкаемые, герметичные и одновременно уменьшающие или увеличивающие свой объем камеры (сегменты) «впуска», «сжатия», «расширения» и «выпуска», в нужные моменты соединяемые с камерами сгорания.

Впервые реализована конструкция, позволяющая раздельно по местам осуществления, но одномоментно по времени реализовывать несколько параллельно осуществляемых последовательностей из 6 тактов полного рабочего цикла ДВС со сжатием и переводом в полезную работу высокой температуры газов горения Рабочей Смеси за счет включения в этот цикл паровых тактов.

Техническим результатом применения таких инженерных решений является значительное упрощение кинематики и конструкции двигателя внутреннего сгорания, получение значительной величины частоты оборотов рабочего вала, как и высокого, и стабильного во время всех тактов рабочего цикла крутящего момента, улучшение приемистости и повышение мощности двигателя, значительное повышение экономичности и экологической чистоты, превышение двигателем значения КПД в 50%. Данное решение также позволяет создать ДВС, не имеющий в своей конструкции ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и испытывала инерционные знакопеременные нагрузки.

Таким образом, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: 6-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными роторными секциями разного назначения, камерами сгорания неизменного объема, расположенными в рабочих роторах, содержащий в корпусе несколько полых роторных секций двух типов технологического назначения: компрессорную роторную секцию и силовую роторную секцию, в каждой из которых расположен имеющий возможность вращаться цилиндрический ротор, оснащенный лопастями, имеющий по окружности внутренней поверхности корпуса симметрично размещенные цилиндрические полые гнезда, где установлены могущие вращаться запорные барабаны, в котором объемное взаиморасположение наружной цилиндрической поверхности ротора и кольцевой внутренней поверхности корпуса, а также поверхностей лопастей ротора и поверхностей запорных барабанов образует рабочие камеры - сегменты «расширения» и сегменты «сжатия», могущие изменять свой объем, и имеющий через шестеренчатые передачи привод от главного вала на валы запорных барабанов, при этом каждая роторная секция оснащена окнами для газообмена, отличается тем, что в корпусе двигателя на одну компрессорную роторную секцию приходится две силовые роторные секции, и компрессорная роторная секция размещена между двумя силовыми роторными секциями так, что к каждой из двух торцевых поверхностей компрессорной секции примыкает одна торцевая поверхность каждой из двух силовых роторных секций, при этом в имеющих возможность вращаться роторах силовых роторных секций устроены камеры сгорания.

Роторы и их запорные барабаны, плотно соприкасающиеся между собой цилиндрическими поверхностями, имеют возможность вращаться согласованно в противоположных направлениях таким образом, что их цилиндрические поверхности могут двигаться с одинаковой линейной скоростью, то есть эти поверхности при своей возможности движения контактируют между собой в режиме обкатывания без проскальзывания и трения друг относительно друга, при этом запорные барабаны по диаметру имеют размер по отношению к диаметру цилиндрической поверхности роторов во столько раз меньший, во сколько раз количество пропускных проемов в запорных барабанах меньше количества лопастей на роторе.

В исполнении с двумя силовыми роторными секциями и одной компрессорной, когда каждый из роторов снабжен двумя лопастями, а в роторах силовых роторных секций устроены по две камеры сгорания, предлагаемый двигатель совершает 8 рабочих тактов (8 ходов расширения - 4 на газах горения Рабочей Смеси и 4 на водяном пару) за 1 оборот главного вала, тогда как 4-тактный одноцилиндровый поршневой мотор - всего 0,25 рабочего такта за полный оборот своего коленвала, а одноцилиндровый двигатель Ванкеля - 0,75 такта полезной работы за оборот эксцентрикового вала.

Впервые в рабочий цикл ДВС удается «встроить» высокоэффективные паровые такты, которые будут переводить высокую температуру рабочих газов горения и температуру нагрева стенок камер сгорания в работу пара высокого давления.

Благодаря этим особенностям конструкции для увеличения мощности и крутящего момента двигателю не нужно иметь высокие обороты главного вала, хотя ограничений для наращивания его оборотов в конструкции не существует и можно ожидать от опытных образцов выход на параметры оборотов, близких к газовым турбинам типа авиационных двигателей - до 20 тысяч оборотов в минуту, но в отличие от газовых турбин при высоких параметрах крутящего момента даже на низких оборотах и при малых затратах топлива.

Способ преобразования давления рабочих газов в движение рабочего вала - простое вращательное движение, позволяет исключить потери, характерные для поршневого двигателя с его кривошипно-шатунным механизмом. Крутящий момент предлагаемой конструкции заметно больше, чем у поршневого четырехцилиндрового или двигателя Ванкеля, т.к. радиус действующего плеча приложения силы к лопасти ротора легко делается в этой конструкции значительно больше плеча приложения силы в кривошипе (которое при его работе все время меняется от ноля до максимума и обратно) в поршневом двигателе или величина эксцентриситета эксцентрикового вала в роторном двигателе Ванкеля. При этом рабочий ход совершают одновременно несколько симметрично разнесенных по диаметру ротора лопастей, которые находятся в данных момент в дугообразных секторах «расширения - выпуска».

При конструкции двигателя с двумя рабочими лопастями ротора длинна рабочего хода каждой лопасти по сравнению с традиционным поршневым мотором, который имеет близкий по площади к поверхности поршневой лопатки диаметр поршня (длина рабочего хода поршневого ДВС примерно равна диаметру поршня), будет в 6 раз больше. При такой конструкции изобретения появляется возможность превращать практически всю энергию давления горячих газов в полезную работу движения лопастей в дугообразных секторах «расширения-выпуска» с постоянным вращением ротора. При этом температура и давление газов, выпускаемых из камеры (сегмента) расширения, должны быть минимально избыточными.

Двигатель хорошо уравновешен - все подвижные детали двигателя совершают исключительно простые вращательные движения. В то время как у 4-цилиндрового 4-тактного поршневого двигателя имеется около 40 деталей с возвратно-поступательными движениями, что дает значительные вибрации таких моторов.

Двигатель компактен, имеет простую конструкцию и малое количество деталей, что дает ему возможность достичь более высоких рабочих параметров по сравнению с существующими ныне моторами разных типов.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Реализация назначения заявленного двигателя возможна к осуществлению через новаторские особенности его конструкции. На прилагаемых к данному разделу патентной заявки чертежах представлена конструкция двигателя с тремя роторными секциями: двумя силовыми секциями (секции «расширения-выпуска») и одной компрессорной (секция «впуска-сжатия»), которая помещена между двумя силовыми роторными секциями. При этом каждый ротор роторных секций снабжен двумя рабочими лопастями, в каждой роторной секции устроены по два запорных барабана, а в роторах силовых роторных секций сделаны по две камеры сгорания.

6-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными роторными секциями разного назначения, камерами сгорания неизменного объема, расположенными в рабочих роторах (фигура 1), содержит наружный корпус, который состоит из трех обособленных роторных секций: двух силовых секций (секций «расширения-выпуска») - (элементы 1-1 и 1-2) и одной компрессорной секции (секции «впуска-сжатия») - (элемент 2). Роторные секции разделены между собой перегородками (элемент 3) и по бокам ограничены торцевыми крышками (элемент 4). Каждая роторная секция содержит в себе рабочий ротор (элемент 5) и запорные барабаны (элемент 6). Роторы всех роторных секций расположены на одном главном валу двигателя (на чертеже не изображен), при этом роторы рабочих роторных секций содержат в себе камеры сгорания (элемент 7). В корпусе на одной из боковых крышек устроен редуктор привода в движение всех запорных барабанов (на чертеже не изображен) и запорные барабаны расположены на двух общих валах по 3 штуки.

В корпусе двигателя проделаны окна подачи рабочей смеси (элемент 8), окна выхлопные (элемент 9) для выпуска отработавших газов, а в перегородках между роторными секциями сделаны окна перепуска сжатой рабочей смеси (элемент 10), а также каналы - проточки для выпуска из камер сгорания рабочих тел высокого давления (элемент 11). В торцевых крышках устроены гнезда для свечей зажигания (элемент 12) и окна для впрыска воды (элемент 13).

Роторы представляют собой деталь цилиндрической формы, жестко соединенную с главным валом двигателя, на равных угловых расстояниях по которой устроены лопасти - выступающие сегменты (они торцами упираются во внутреннюю поверхность корпуса), которые играют роль рабочих поверхностей, это аналоги лопаток газовой турбины (или поршней поршневого мотора), и приводят ротор в движение, воспринимая на себя давление рабочих газов. Запорные барабаны представляют собой цилиндрические детали, на боковой поверхности которых сделаны выемки - полости для пропускания при их вращении рабочих лопастей ротора. Цилиндрические поверхности ротора и запорных барабанов за счет подбора диаметров и частоты вращения без трения обкатываются друг по другу, а диаметры барабанов при этом делаются кратно меньше диаметра ротора.

Геометрия внутреннего рабочего пространства двигателя, где последовательно и циклично происходят основные технологические процессы, представляет собой кольцевую полость. Она устроена так, что запорные барабаны, входящие своими боковыми цилиндрическими поверхностями в соприкосновение с внешней цилиндрической поверхностью ротора, делят эту круговую, кольцевую полость (фигура 2) на равные рабочие сектора (элемент 14), в дугообразном объеме каждого из которых могут двигаться лопасти ротора. В свою очередь при таком движении в дугообразных секторах лопасти ротора делят каждый из этих рабочих секторов на два сегмента переменного объема - на камеры (фигура 3): сегмент расширения (элемент 15) и сегмент сжатия (элемент 16). В силовых роторных секциях (секциях «расширения - выпуска») рабочие сектора будут делиться на сегменты расширения и сегменты выпуска, а в компрессорной роторной секции (секции «впуска - сжатия») рабочие сектора будут делиться на сегменты впуска и сегменты сжатия.

Именно в этом едином элементно-технологическом комплексе двигателя из дугообразных секторов «впуска - сжатия» компрессорной роторной секции, камер сгорания и дугообразных секторов «расширения - выпуска» силовых роторных секций, раздельно в пространстве и одномоментно и непрерывно во времени происходят все технологические процессы (такты) двигателя.

Когда в каждой камере сгорания искрой от электросвеч поджигается рабочая смесь, она некоторое время горит в запертых камерах, а потом за счет перемещения камер сгорания в другую позицию при вращении роторов силовых секций камеры сгорания соединяются с каналами - проточками перепуска рабочих газов в сегменты расширения силовых роторных секций и в эти сегменты начинают выбрасываться горячие рабочие газы высокого давления. От этого в дугообразных полостях сегментов расширения возникает высокое давление. Так как оси запорных барабанов и корпус не могут двигаться друг относительно друга, то смещаться от давления газов могут лишь рабочие элементы роторов силовых секций - их лопасти, тем самым превращая это давление горячих газов горения во вращение роторов. Так происходят сразу несколько последовательных процессов «расширения - выпуска» в объемах дугообразных рабочих секторов. Одновременно с этим процессом от главного вала приводится в движение ротор компрессорной секции (секции «впуска - сжатия»), и в сегменты впуска этой роторной секции засасываются, а затем в сегментах сжатия сжимаются свежие заряды Рабочей Смеси, которые затем через каналы перепуска сжатой Рабочей Смеси попадают в камеры сгорания силовых роторных секций.

Последовательность вращательных рабочих циклов двигателя такова. На примере мотора (фигура 1), который имеет три роторных секции: одну компрессорную секцию (элемент 2) (секцию «впуска-сжатия») и две силовые секции (секции «расширения-выпуска»): силовая секция А (элемент 1-1) и силовая секция В (элемент 1-2). Каждая роторная секция имеет двухлопастной ротор (элемент 5) и два запорных барабана (элемент 6) в каждой роторной секции, роторы силовых роторных секций имеют по две камеры сгорания (элемент 7), где будут происходить такты «горения», как и такты парообразования, т.е. технологические процессы создания рабочего тела высокого давления 2-х типов: либо газов от сгорания рабочей смеси из паров топлива и воздуха, либо пара от испарения воды от контакта с раскаленными стенками камеры сгорания.

Исходное положение - только что закончился такт сжатия в обоих сегментах сжатия компрессорной секции (фигура 4.1), и одновременно завершился процесс перепуска сжатой рабочей смеси в четную камеру сгорания (четную - по мере отсчета номера осуществления последовательных и циклических процессов расширения в направлении вращения роторов) роторной секции А (фигура 4.2) и в нечетную камеру сгорания роторной секции В (фигура 4.3). Далее камеры сгорания за счет вращения роторов силовых роторных секций переместились так, что они отсоединяются от каналов перепуска сжатой Рабочей Смеси и камеры сгорания в этот момент оказываются в запертом состоянии. В этот момент камеры сгорания перемещаются к гнездам свечей зажигания, и они поджигают сжатую Рабочую Смесь. Рабочая Смесь начинает гореть в запертом объеме.

В это же самое время нечетная камера сгорания (нечетная - по мере отсчета номера осуществления последовательных и циклических процессов расширения в направлении вращения роторов) силового ротора в секции А и четная камера сгорания силового ротора в секции В, только что завершившие рабочий ход в своих рабочих секторах, подходят к гнездам с форсунками для впрыска воды. Форсунки впрыскивают в запертое пространство камер сгорания воду, которая, попадая на раскаленные стенки камер сгорания в роторах, а также контактируя с остаточными раскаленными газами от предыдущего такта горения, мгновенно превращается в пар.

Роторы всех секций продолжают свое вращение примерно 30 градусов углового расстояния - это время все 4 камеры сгорания остаются плотно запертыми и в них продолжает нарастать давление и все больше создаваться рабочего тела. В двух камерах сгорания - это будут раскаленные газы горения рабочей смеси, а других двух камерах сгорания - это водяной пар от соприкосновения воды с раскаленными стенками камер сгорания. В первой части этой фазы лопасти всех роторов проходят проемы всех запорных барабанов, и кольцевое рабочее пространство всех секторов роторных секций не является герметично разделенным на обособленные камеры - технологические сегменты.

При дальнейшем вращении главного вала с роторами происходит запирание запорными барабанами рабочих секторов всех роторных секций, и каждый из них за счет движения лопастей оказывается разделенным на два технологических сегмента - увеличивающегося и уменьшающегося объема. В этот момент в расширяющиеся сегменты расширения через специальные каналы подается мелко распыленная вода с воздухом, которая и заполняет эти сегменты. При дальнейшем движении лопасти силовых роторных секций перед собой (по направлению вращения роторов) - в сегменте выпуска, выталкивают за пределы корпуса двигателя продукты сгорания прежнего такта расширения, а за лопастями в сегмент расширения открываются перепускные каналы - проточки, которые соединяют с этим сегментом объемы камер сгорания.

В результате такого положения и в такой позиции из четной камеры сгорания силовой роторной секции А (фигура 5.2) и из нечетной камеры сгорания силовой роторной секции В (фигура 5.3) в соответствующие сегменты расширения начинают выбрасываться под большим давлением газы от сгорания Рабочей Смеси, а из нечетной камеры сгорания силовой роторной секции А и четной камеры сгорания силовой роторной секции В в соответствующие сегменты расширения начинает выбрасываться под большим давлением пар, полученный от охлаждения этих камер сгорания. При этом эти потоки рабочего тела высокой температуры - особенно раскаленных газов от сгорания Рабочей Смеси - испаряют прежде впрыснутую в сегменты расширения воду. От мгновенного перехода в парообразное состояние некоторого количества воды давление в сегментах расширения значительно повышается, а температура газов в этих секторах значительно снижается.

В это же время вращение ротора и запорных барабанов в компрессорной роторной секции (фигура 5.1) приводит к разделению рабочих дугообразных секторов этой секции на сегменты «впуска» и «сжатия». При этом одновременно начинаются такты «впуска» свежего заряда Рабочей Смеси - позади лопасти ротора (по направлению вращения ротора), а спереди лопасти - к началу такта «сжатия» заряда Рабочей Смеси, впущенной в этот сектор в прежнем такте.

В процессе дальнейшего вращения главного вала двигателя со всеми тремя роторами одновременно происходит дальнейшее осуществление начавшихся в предыдущей фазе технологических процессов, в результате которых происходит 4 такта расширения одновременно в двух силовых роторных секциях - два такта расширения газов от горения Рабочей Смеси и два такта расширения от образования пара при охлаждении камер сгорания, т.е. одномоментно работают все 4 камеры сгорания. При этом в сегментах расширения происходит увеличение силы давления рабочего тела и уменьшение его температуры за счет перевода внутренней энергии высокой температуры рабочего тела, выпущенного из камер сгорания, в давление пара при испарении впрыснутой в сегменты расширения воды. Одновременно с этим в технологических сегментах уменьшающегося объема спереди лопастей роторов (по ходу их вращения) силовых роторных секций происходит выпуск отработавших газов, которые были рабочими в предыдущих тактах расширения. В это же время происходит одномоментное осуществление в компрессорной роторной секции тактов впуска свежего заряда Рабочей Смеси и сжатия прежде полученного заряда Рабочей Смеси (фигуры 6.1, 6.2, 6.3).

В конце хода расширения лопасти роторов силовых роторных секций достигают окон выпуска в атмосферу (фигура 7.2) и (фигура 7.3). В этой позиции объем сегмента расширения становится максимальным, а объем сегмента выпуска - минимальным, и при этом такт расширения переходит в такт выпуска, а предыдущий такт выпуска завершается. В этой позиции камеры сгорания соединяются через каналы перепуска рабочего тела в сегменты расширения и через сами эти сегменты расширения с окнами выпуска из них в атмосферу. При этом давление в камерах сгорания становится равным атмосферному. В этой же позиции лопасти ротора компрессорной роторной секции (фигура 7.1) завершают такты сжатия и впуска, при этом движение такого ротора в данный момент открывает окна перепуска сжатой Рабочей Смеси в силовые роторные секции, а именно в их камеры сгорания, которые в данный момент уже заняли необходимую позицию за счет поворота своих роторов.

Сразу после выравнивания давления в камерах сгорания с атмосферным камеры сгорания перемещаются с вращением роторов в позицию, когда они теряют связь с сегментами расширения силовых роторных секций. Затем движущиеся камеры сгорания соединяются:

- нечетная камера сгорания роторной секции А и четная камера сгорания роторной секции В (которые прежде осуществляли паровой такт) соединяются с сегментами сжатия компрессорной роторной секции, из которых в них начинает задавливаться заряд сжатой Рабочей Смеси;

- четная камера сгорания роторной секции А и нечетная камера сгорания роторной секции В (которые прежде осуществляли такт сгорания заряда Рабочей Смеси и сильно разогрелись) соединяются с соплами впрыска воды.

После этого камеры двигаются далее, разъединяются с окнами впуска и впрыска, после чего нечетная камера сгорания роторной секции А, и четная камера сгорания роторной секции В соединяются с гнездами свеч зажигания и они поджигают заряд Рабочей Смеси в этих камерах. После этого в запертых камерах сгорания идет период, когда все камеры сгорания остаются заперты. При этом в двух камерах сгорания происходит процесс горения в замкнутом объеме заряда Рабочей Смеси, а в двух других камерах сгорания происходит образование пара с одновременным охлаждением стенок камер сгорания. Оба этих процесса приводят к созданию газообразного рабочего тела высокого давления 2-х типов:

- горячих газов от сгорания Рабочей Смеси из паров топлива и воздуха;

- пара от испарения воды при контакте с раскаленными стенками камеры сгорания и остатками горячих газов в этой камере.

Затем камеры сгорания за счет вращения роторов перемещаются к местам, где они соединяются с каналами - проточками перепуска рабочего тела высокого давления в технологические сегменты расширения рабочего тела.

Таким образом, все такты (технологические процессы) данного двигателя начинают вновь и вновь повторяться в одном закольцованном, повторяющемся цикле, осуществляя в едином и непрерывном процессе все последовательные такты (технологические процессы) 6-тактного двигателя внутреннего сгорания.

За счет схемы расположения впускных, выпускных и перепускных окон газообмена, а также окон подачи воды, как и взаимного расположения лопастей роторов разных роторных секций, схема реализации рабочих тактов (технологических процессов) двигателя формируется так, что в силовых роторных секциях один рабочий сектор все время работает в такте расширения пара от охлаждения камер сгорания, а другой рабочий сектор - в такте расширения газов от сгорания Рабочей Смеси. При этом камеры сгорания, движущиеся по кругу во вращающихся роторах внутри силовых роторных секций, последовательно и непрерывно каждый раз испытывают чередующиеся процессы:

- то получают внутрь свежий заряд сжатой Рабочей Смеси из компрессорной роторной секции, с ее горением и последующим выпуском продуктов горения;

- то получают внутрь порцию воды для охлаждения нагретых стенок с одновременным образованием пара и его дальнейшим выпуском.

Таким образом, в двигателе данной конструктивной компоновки большую часть времени его работы происходит одновременно 4 такта расширения, 4 такта выпуска, 2 такта сжатия и 2 такта впуска.

Такт расширения в данной конструктивной компоновке двигателя продолжается значительное расстояние и занимает в приведенной на чертеже конструкции угловую величину практически в 150 градусов в каждом рабочем секторе из величины в 180 градусов всей его длины. Т.е. общий рабочий ход составляет 150 градусов из 180 градусов всей угловой протяженности движения рабочего органа в каждом из 4 дугообразных секторов или 300 градусов за полный оборот вала, что составляет 84% от углового расстояния полного оборота вала, и это при постоянном плече крутящего момента. (В отличие от этой величины в 25% в 4-тактных и 50% в 2-тактных поршневых двигателях - и это при все время нестабильной величине крутящего момента.) В зависимости от технических задач и геометрии конкретной компоновочно-габаритной схемы угловая величина и линейная протяженность рабочего такта может быть еще несколько увеличена.

Кроме этого преимущества у роторного двигателя предлагаемой конструкции есть еще одно выраженное преимущество перед поршневыми двигателями - на одной линии рабочего хода, в одном рабочем объеме одновременно осуществляют рабочее движение сразу несколько рабочих органов (лопастей ротора), что в поршневом моторе невозможно в принципе. Во время осуществления описанного процесса на симметрично разнесенных сторонах кольцеобразного объема рабочего пространства между поверхностями ротора силовых секций и корпуса рабочие циклы совершают две рабочие лопасти ротора. Т.е. работа давления рабочего тела во время рабочего цикла совершается одновременно на двух рабочих лопастях.

И такое беспрерывное вращение с почти постоянным съемом мощности от расширяющихся газов рабочего тела 2-х типов (с крутящим моментом с постоянным плечом силы) по всему кольцу рабочего объема силовых роторных секций может продолжаться и продолжаться. Таким образом, за один оборот роторов двух силовых роторных секций и главного вала двигателя каждая рабочая лопасть будет совершать 2 рабочих такта, а совокупно 4 рабочие лопасти роторов в двух силовых секциях за один оборот вала будут совершать 8 рабочих тактов. Эта величина в 8 рабочих тактов оказывается очень большой против (если брать одну поршневую схему для традиционных ДВС) 0,25 рабочего такта у 4-тактного мотора и 0,5 рабочего такта у 2-тактного одноцилиндрового поршневого мотора за один оборот рабочего вала. Именно по этой причине от данной конструкции следует ожидать многократного прироста мощности при одинаковом с традиционными поршневыми моторами объеме рабочих камер расширения. А если сделать мотор предлагаемой конструкции по примеру 2- или 4-цилиндровых поршневых моторов состоящим из нескольких штук блоков тройных комплексов роторных секций, то количество рабочих тактов будет нарастать в арифметической прогрессии - 16 для 2-блочной компоновки и т.д.

Кроме того, при больших диаметрах ротора можно изготовить ротор с 4 или даже более лопастями, а корпус мотора соответственно - с 4 или большим числом запорных барабанов. Эти типы двигателей будут иметь многократно большую мощность, так как двигатель с 4 рабочими лопатками на роторе одной силовой роторной секции будет давать в двух силовых секциях 32 рабочих такта за один оборот вала.

При этом особенность устройства двигателя, в котором такты (технологические процессы) сжатия рабочей смеси и расширения рабочего тела разнесены в разные технологические полости, дает возможность легко сделать такты расширения и сжатия разными по длине хода и различными по технологическому объему для тонкой настройки параметров работы мотора, что практически невозможно осуществить в традиционных поршневых ДВС. Предлагаемая компоновка также позволяет осуществлять регулирование параметров такта сжатия, что дает возможность управлять мощностно-динамическими свойствами двигателя, минимизирует сложность конструкции и снимает высокие требования к качеству топлива.

Кроме всасывания рабочей горючей смеси через карбюратор в сектор «впуска-сжатия» возможно заполнение этого сектора только чистым воздухом с его последующим сильным сжатием в технологическом сегменте сжатия с дальнейшим осуществлением работы двигателя по типу дизеля - с впрыском топлива непосредственно в объем камеры сгорания, которая уже заполнена сильно сжатым и разогретым от этого воздухом.

Главная особенность изобретения - взаимное расположение роторных секций разного назначения и согласованные вращательные движения рабочих лопастей роторов силовых роторных секций в их полостях, лопастей ротора компрессорной секций в его полости, сложных поверхностей запорных барабанов (каждый расположенный в своем гнезде), полостей камер сгорания в роторах силовых роторных секций, а также расположение впускных, перепускных и выпускных окон, что в комплексе совместной работы создает возможность согласованного осуществления одномоментно многих технологических процессов - тактов «впуска», «сжатия», «горения», «образования пара», «расширения» и «выпуска». Именно применением этой конструкции достигается возможность организовать полный рабочий цикл из 8 тактов по вращательно-кольцевому принципу за один оборот главного вала для указанного на прилагаемом чертеже варианта компоновки конструкции данного двигателя с двумя силовыми роторными секциями, одной компрессорной роторной секцией, двумя лопастями всех роторов, и таким же количеством запорных барабанов в каждой роторной секции, и четырьмя камерами сгорания в двух роторах силовых роторных секций.

Claims (2)

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: 6-ти тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными роторными секциями разного назначения, камерами сгорания неизменного объема, расположенными в рабочих роторах, содержащий в корпусе несколько полых роторных секций двух типов технологического назначения: компрессорную роторную секцию и силовую роторную секцию, в каждой из которых расположен имеющий возможность вращаться цилиндрический ротор, оснащенный лопастями, имеющий по окружности внутренней поверхности корпуса симметрично размещенные цилиндрические полые гнезда, где установлены могущие вращаться запорные барабаны, в котором объемное взаиморасположение наружной цилиндрической поверхности ротора и кольцевой внутренней поверхности корпуса, а также поверхностей лопастей ротора и поверхностей запорных барабанов образует рабочие камеры - сегменты «расширения» и сегменты «сжатия», могущие изменять свой объем, и имеющий через шестеренчатые передачи привод от главного вала на валы запорных барабанов, при этом каждая роторная секция оснащена окнами для газообмена,
отличающийся тем, что в корпусе двигателя на одну компрессорную роторную секцию приходится две силовые роторные секции, и компрессорная роторная секция размещена между двумя силовыми роторными секциями так, что к каждой из двух торцевых поверхностей компрессорной секции примыкает одна торцевая поверхность каждой из двух силовых роторных секций, при этом в имеющих возможность вращаться роторах силовых роторных секций устроены камеры сгорания.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что роторы и их запорные барабаны, плотно соприкасающиеся между собой цилиндрическими поверхностями, имеют возможность вращаться согласовано в противоположных направлениях таким образом, что их цилиндрические поверхности могут двигаться с одинаковой линейной скоростью, то есть эти поверхности при своей возможности движения контактируют между собой в режиме обкатывания без проскальзывания и трения друг относительно друга, при этом запорные барабаны по диаметру имеют размер по отношению к диаметру цилиндрической поверхности роторов во столько раз меньший, во сколько раз количество пропускных проемов в запорных барабанах меньше количества лопастей на роторе.

Images