СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Авторские Изобретения РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

 

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

 

© Чантурия О.Г.,Чантурия И.Г.

Контакт с автором: chirog@rambler.ru

 

Более двух столетий человечество использует тепловые двигатели как энергетические установки. За это время создано несколько схем преобразования энергии топлива в энергию механическую. К ним относятся поршневые и роторно-поршневые, реактивные двигатели, газовые турбины и т. д. Но наиболее распространенной схемой была и остается схема с кривошипно-шатунным механизмом; ее применяют как в ДВС, так и в двигателях с внешним подводом теплоты. Что объяснимо: развитая теория, относительная простота конструкции, вековая эволюция, отработанная технология позволяют без особых усилий создавать двигатели мощностью от десятых долей до нескольких тысяч киловатт. Хотя, разумеется, данные двигатели все время подвергались и продолжают подвергаться совершенствованию (турбонаддув, четыре клапана на цилиндр, впрыскивание топлива непосредственно в цилиндр, две свечи зажигания на цилиндр и т. д.). Короче говоря, двигатели с КШМ становятся все сложнее, однако значительного прироста их эффективности получить не удается. Например, попыткой изменить кинематику, чтобы избавиться от конструктивно присущих ей недостатков, стал во второй половине прошлого столетия роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Такая схема, действительно, позволяет получать более высокую удельную мощность, упростить конструкцию ДВС. Но, к сожалению, имеет ряд недостатков, сводящих на нет его преимущества. Как-то: энергетические потери (большая охлаждающая поверхность рабочей полости), значительный расход топлива, невозможность создать соответствующую оптимально высокую степень сжатия, относительная технологическая сложность (эпитрохоида корпуса), инерционные нагрузки (эксцентричность пары "ротор—вал"), более токсичный выхлоп, невозможность надежной герметизации камеры сгорания и многое другое.

_________________________________________________________

Авторы предлагают вернуться к давно известному способу преобразования энергии, основанному на воздействии рабочего тела на лопасти (выдвигающиеся лопатки) колеса (ротора). Для его осуществления (рис. 1,2) в полый цилиндр 1 определенной формы (корпус) помещен ротор 2, ободная поверхность которого образует с внутренними стенками корпуса функциональные полости 3 и 4. Между полостями существуют перегородки 5 (переходы), где ободная поверхность ротора соприкасается с корпусом. Они разделяют полости, имеющие синусоидальный (в продольном сечении) профиль, на рабочие и компрессионные (вспомогательные), и расположены поочередно по окружности корпуса. В начале компрессионной полости по ходу вращения ротора есть впускное окно 6, а в конце рабочей — выпускное 7. С торцов корпус прикрыт крышками (элементы корпуса), которые одновременно служат и опорами цапф вала ротора. Из тела ротора с помощью выдвижного устройства (на рисунке не показано) в соответствии с тактами работы двигателя выдвигается либо компрессионная (вспомогательная) 8, либо рабочая 9 лопатки, которые составляют пару и расположены параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Между лопатками каждой пары есть углубление на ободе ротора, образующее камеру сгорания 10.

 

Выдвижное устройство (далее ВУ) имеет в своей основе кривошипно-шатунный механизм, который, в зависимости от вариантов своего исполнения, определяет профиль полостей. Он может быть полнопериодный (заявка № 2008103861) или полупериодный (патент РФ № 2294443).

При вращении ротора (по стрелке) компрессионная лопатка (задняя) выдвигаясь из его тела, сжимает передней гранью топливовоздушную смесь находившуюся в компрессионной полости и создавая за собою разряжение засасывает новую порцию смеси через впускное окно. При прохождении лопаткой компрессионной полости заканчивается такт газозабора (сжатие и впуск). Рабочая смесь находясь в камере сгорания с нужной степенью сжатия в зоне перехода (разделяющего компрессионную и рабочую полости) поджигается от элемента зажигания (свечи зажигания ,свечей, или нити накаливания) 11.Пока камера сгорания находится в зоне перехода, происходит горение смеси при постоянном объеме. В дальнейшем , после прохождения перехода, рабочая лопатка выдвигаясь воспринимает давление газов и преобразовывает его во вращательное движение ротора. Своей передней гранью данная лопатка выталкивает остатки отработавших газов предыдущего такта через выпускное окно. Осуществлен такт – рабочий ход (расширение и выпуск). Эти процессы для диаметрально расположенных пар лопаток происходят аналогично, а для смежных отстают (опережают) на такт работы двигателя.

Работа двигателя соответствует режиму работы двигателя двойного действия. В исполнении с четырьмя парами лопаток (имея по две разнофункциональные полости) двигатель совершает восемь импульсов силы (рабочих хода) за оборот, тогда как четырехцилиндровый четырехтактный поршневой всего два, а двигатель Ванкеля – три. И при очевидной двухтактности (такт газозабора-рабочий ход) для порции (заряда) рабочей смеси проходят все фазы присущие четырехтактному двигателю без ухудшения процесса газообмена. В следствии этих особенностей конструкции для увеличения удельной мощности двигателю не нужно быть высокооборотистым - до 2000 об/мин.( Что соответствует 8000 об/мин. – для 4-х тактного, 4-х цилиндрового, или 4000 об/мин – для 8 цилиндрового той же тактности).

Способ преобразования позволяет исключить потери характерные для поршневого двигателя из-за изменения поступательного движения поршня на вращательное коленвала. Цилиндр (тронк) для поршня является направляющим, в нашем же случае лопатки отслеживают профиль полостей, а степень давления их на стенки полостей определяется упругостью уплотняющих элементов и центробежной силой влияющей на них (соответствует крейцкопфному варианту исполнения поршневого двигателя, но без увеличения габаритов и ограничений). Отсюда отсутствуют потери на трение из-за асимметричной реакции шатуна где в поршневом появление боковой силы приводит к дополнительному нагреву и износу пары “поршень–цилиндр”. И тем самым заодно уменьшается требование к смазке. Так же исчезает такое понятие как потери на трение из-за ассиметрического горения, когда горение завершается в одном углу камеры сгорания отсюда локальный удар, приводящий к кратковременному заклиниванию поршня.

Крутящий момент двигателя кратно больше чем у поршневого четырехцилиндрового или двигателя Ванкеля

т.к. радиус ротора кратно больше плеча кривошипа и рабочий ход совершают одновременно две лопатки. При этом будет исключительная приемистость, несравнимо лучшие разгонные характеристики. Поэтому можно обойтись без коробки передач, или иметь двухступенчатую ( в последнем случае значительно упрощается процедура переключения, когда при однотипном переключении всегда и только происходит переключение из существующего положения в последующее).

Инерционные потери ВУ значительно меньше за счет меньших масс и меньших перемещений деталей участвующих в возвратно-поступательном движении (а сравнивать надо с четырех-шестицилиндровым и всей его поршневой группой). ВУ -вспомогательное устройство, его кривошипно-шатунный механизм не испытывает больших нагрузок, присущих соответствующему механизму поршневого двигателя (где он является силовой частью, основой преобразования). Детали ВУ менее рассредоточены и менее габаритны (ВУ может быть размещен в роторе). И кроме этого, в данном двигателе отпадает необходимость иметь газораспределительный механизм, что тоже значительно уменьшает инерционные и механические потери.

Двигатель хорошо уравновешен, выдвижение лопаток и других перемещающихся элементов в роторе, происходит таким образом, что не меняет его центр массы . Двигатель функционально симметричен, динамические нагрузки практически взаимно компенсируют друг друга, и тем самым отсутствуют значительные вибрации.

Очевидна компактность двигателя, его значительно меньшие весовые и габаритные характеристики, и меньшее количество деталей, что делает его удельные показатели в 2-2,5 лучше поршневого.

Конструкция его более простая (если конечно не сравнивать с одноцилиндровым двигателем Отто, а с его навороченными правнуками)

В двигателе реализована идея пространственного разделения тактов цикла. Известно, что протекание различных по природе процессов в одном и том же объеме, требует универсальности условий для взаимно противоречивых событий, даже если они разделены во времени. Это происходит за счет компромисса, т.е. относительно допустимого ухудшения условий для каждого из них. В нашем случае есть возможность создать наивыгоднейшие условия для каждого из процессов цикла в соответствующей функциональной полости.

Отдельно расположенная ”холодная” компрессионная полость позволяет иметь топливную смесь с более точным составом для определенных режимов работы двигателя, есть условия и место для устройства получения высоко турбулизированной , гомогенной смеси в чисто газообразном состоянии. Есть условия для рециркуляции отработанных газов ( что влияет на экологичность, да и на экономичность). Возможность использовать, при количественном регулировании, перепускной канал с регулируемой задвижкой в компрессионной полости, что позволяет обойтись без дроссельных потерь

Камера сгорания представляет собою углубление в ободе ротора между лопатками одной пары, в некоторых случаях изолирована от лопаток. Она представляет собою вытянутую полусферу и имеет значительно лучшее соотношение площади поверхности к ее объему. Тем самым это позволяет несколько увеличить степень сжатия не опасаясь детонации. Простая форма камеры технологически позволяет создавать ее с более высокой чистотой обработки, что весомо влияет на процессы проходящие в ней.

Горение происходит на переходе при постоянном объеме (изохорический процесс), в более благоприятных условиях, что способствует более полному сгоранию смеси и более экологически чистому выхлопу.

Возможность применять несколько свечей зажигания, а так же все виды зажигания вплоть до лазерного (места в соответственном переходе столько, что и гиперболоид запихнуть можно).

Независимая и подвижная камера сгорания позволяет и применение простого калильного зажигания. Нить накаливания находящая в переходах между функциональными полостями определенной последовательности и проходящая по линии по всей длине камеры сгорания, гарантировано воспламенит и сверхбедные смеси. И при этом не нужен прерыватель – распределитель (ну разве, что при многосекционном построении двигателя останется), а также пропадает необходимость в устройстве опережения и коррекции зажигания. Отсюда устройство подачи низковольтного напряжения (это, если еще регулировать силу тока), а так и просто один провод как-то в понятие “система” не входит.

С учетом относительно оптимальной формы камеры сгорания, более благоприятного изохорического горения, применение бедных ( сверхбедных) смесей с использованием калильного зажигания есть возможность получить степень сжатия (є = 12-14 и более ,а более и не очень надо). Тем самым происходит значительное улучшение литровой эффективности двигателя (до 25%) и опять же более чистый выхлоп.

Рабочая полость может быть оптимально больше компрессионной (более того это в какой -то степени и конструктивная необходимость).Отсюда различные степень сжатия и степень расширения (последняя может быть значительно больше). Это позволяет значительно более полно использовать энергию газов, увеличить КПД (4-6%) и выхлоп будет менее токсичным и горячим (реализация цикла Аткинсона).

Лопатка (полнопериодный вариант) имеет П- образный каркас-рамку (положенный на бок) с поперечными элементами усиления, частично с двух сторон закрытый тонкостенными пластинами (выдвигаемая часть- непосредственно лопатка). При максимальном выдвижении 55-60 % каркаса остается в теле ротора на направляющих с большой площадью контакта, и обильно смазываемых, что препятствует заклиниванию. Изгибающая нагрузка не носит ударного характера, до определенного момента плавно возрастая по мере увеличения площади выдвигаемой лопатки. В полупериодном варианте разнофункциональные лопатки расположены по обе стороны одной пластины, которая хордой пронизывает все тело ротора.

Изготовление разнофункциональных полостей и лопаток можно производить с учетом различных температурных и различных динамических нагрузок проявляющихся в них, и с применением различных соответствующих материалов.

Впускные и выпускные окна постоянного сечения кратно больше, чем проходные сечение поршневого двигателя даже при четырехклапанном газораспределении. Этим обеспечивается лучшее наполнение свежим зарядом компрессионной полости, а также более качественно проходит выпуск отработанных газов из рабочей полости, уменьшаются насосные потери. Отсутствует эффект “перекрытия” клапанов (наиболее присущ 2-х тактным ДВС всегда, а четырехтактным на больших оборотах),когда часть свежего заряда попадает сразу в выпускной тракт.

Возможность создать двигатель с ограниченным отводом тепла (частично адиабатный) с предварительным (внешним) смесеобразованием. ” Холодная “ компрессионная полость позволяет сжать топливную смесь без угрозы воспламенения, охлаждаемая камера сгорания доставит ее к месту зажигания и далее в рабочую полость. Там термостойкая рабочая лопатка (в принципе ее можно охлаждать) воспринимая давление газов совершает перемещение и при этом надо помнить, что стенки рабочей полости не есть направляющими ( в условиях отсутствия смазки важный момент). Создание частично адиабатного двигателя (на базе предлагаемого) предполагает, что рабочая температура стенок будет только на 150 – 200 С0 больше чем у двигателей с отводом тепла. А избыточное тепло будет отводится системой воздушного охлаждения (вентилятор, оребрение , датчики, жалюзи и т.д.)

Возможность создания двигателя использующего два рабочих тела. Сейчас появилась новая модная тенденция в развитии двигателестроении- создание гибридной силовой установки, включающую в себя ДВС и электродвигатель. Используя в различных режимах, той или иной двигатель, можно получить определенный эффект. Но сложное, дорогое и хлопотное это дело. Следующий подход, это использование выделяемого (после рабочего такта) тепла для преобразования в энергию посредством второго рабочего тела изменяющего свое агрегатное состояние. Фирма BMW проводит эксперименты с использованием газов выхлопа для образования пара и последующем использовании последнего для вращения турбины. Тепло стенок в достаточной мере не используется. Пробовали и непосредственно осуществлять впрыск жидкости в цилиндр (6 тактный двигатель Кроуэла), но в противоположность предыдущему варианту, используется только тепло стенок (продукты сгорания удаляются) и при этом конструкция требует существенных переделок и усложнений.

В нашем случае исполнение данного варианта повторяет построение частично адиабатного двигателя, т.е. создание теплоизоляции рабочих полостей и части обода ротора. В начале рабочих полостей имеются форсунки12 для введения рабочего тела , изменяющего свое агрегатное состояние. Разновеликие функциональные полости (рабочая в данном случаи значительно больше) позволяют более полно использовать энергию углеводородного топлива прежде, чем в образовавшийся объем будет посредством форсунок произведен впрыск жидкости. Последняя превращаясь в пар от воздействия с продуктами сгорания углеводородного топлива и горячими стенками рабочей полости, также осуществляет работу, при этом охлаждая данную полость изнутри. Значительное увеличение рабочей полости относительно компрессионной , уже не есть цикл Аткинсона. В нашем случае это будет реализация цикла комбинированного двигателя. Где в первой фазе надо максимально использовать энергию углеводородного топлива. И только после этого, во второй фазе реализовать возможности второго рабочего тела за счет запасенного тепла в стенках и продуктах сгорания. Причем все это происходит в одной полости. Схема двигателя конструктивно предрасположена для осуществления данной задачи и имеет дополнительные возможности и сопутствующий характер. Это когда создание рабочих полостей со значительной площадью (в разумных пределах), необходимой для парообразования (для “поршня” это затруднительно), не мешает, а способствует иметь рабочую полость значительно больше компрессионной (в поршневом так можно только при создании отдельных разнофункциональных цилиндров).

Высокая скорость изменения агрегатного состояния второго рабочего тела, причем значительного его количества (общий расход до 0,8 л/мин.) достигается за счет более высокой температуры непосредственно в рабочей полости и оптимального увеличения ее площади для эффективного теплообмена. Также данный результат достигается и благодаря высокой температуры второго рабочего тела (значительно превышающую температуру парообразования) удерживаемого в жидком состоянии в следствии большего давления в каналах подвода его к форсункам.

Естественно двигатель в данном исполнении должен иметь емкость со специально подготовленной жидкостью (в случаи воды – не из под крана же) или холодильник (конденсатор), куда попадают отработанные газы обоих рабочих тел. Там второе рабочее тело переходит в жидкое состояние и опять подается к форсункам, а значительно охлажденный и очищенный углеводородный выхлоп стравливается в атмосферу.

Экономическая и экологическая эффективность такого типа двигателей должна быть ощутимой.

Мы не сторонники технического мазохизма и поэтому двигатели такого типа предлагаем использовать не для широких масс, а только для транспортных средств имеющих:

Все это идеально подходит для общественного и обслуживающего инфраструктуру города транспорта.

Двигатели исполненные по представленной схеме в различных вариантах, для увеличения мощности могут быть многосекционными.

Данные теплового расчета

объем (компресс. полость)V= 400 см3 , площадь раб. лопатки Smax =50см2.

Эффективный КПД

ηе = 0,49 (0,60 - при использовании двух рабочих тел)

Эффективная мощность двигателя 1500об/мин

Ne =. Pe*Vраб*z =0,88*0,53*200=93,3 кВт (126,9 л.с.)

Удельный эффективный расход топлива

ge = gi / ηM =154,37 / 0,92 =167,79 Г/ кВт*ч

Крутящий момент двигателя

MКР = 697,5 Н/ М

 

В журнале “Двигатель” № 2 за 2004 г. в статье д.т.н. Е.Бугаеца “ Его величество КПД “ перечислены требования к революционному двигателю, сравните сколь велико несоответствие?

Статья частично была опубликована в журналах “Автомобильная промышленность” № 7 , 2007г. и ИР №11, 2008. (Ротор против поршня).

 

 

 

 

Дата публикации: 2 апреля 2009
Сделать запрос по интересующему вас изобретению

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.