Роторный двигатель Карфидова. Двигатель роторный кпд


Роторный Двс

Роторный двигатель внутреннего сгорания

Роторный двигатель внутреннего сгорания принципиально отличается по конструкции и принципам работы, от классического поршневого ДВС. Отличительная черта роторного двигателя – отсутствие в конструкции поршней, которые при традиционной схеме совершают обратно-поступательные движения, которые потом преобразуются во вращательное движение.

В роторном двигателе нет поступательного движения, а сложный по конфигурации поршень, вращаясь в камере сгорания, сразу передает вращательный момент. Ротор может иметь три или четыре вершины. Камера сгорания имеет сложную внутреннюю поверхность. Ротор закреплен на эксцентрике, который и задает сложное движение.

Роторный двигатель внутреннего сгорания обладает следующими преимуществами:

• Количество деталей в таком двигателе на треть меньше, чем в классическом поршневом двигателе. Уменьшение количества деталей может доходить до 40%. Получается, что для производства двигателя такого типа нужно меньше станков, меньше рабочих, меньше технологических операций. Все это в конечном итоге, должно сказываться на стоимости двигателя.

• Роторные двигатели имеют меньший вес. Это в конечном итоге сказывается на полезной работе автомобиля. По сути, роторному двигателю нужно тратить меньше энергии, чтобы самого себя возить.

• Роторный двигатель внутреннего сгорания имеет меньшие габариты, чем классический ДВС. Поэтому высвобождается полезное пространство, которое можно использовать для других целей.

Компании, которые занимались разработкой таких двигателей, вынуждены были проводить серьезные научные исследования, связанные с процессами, которые происходят внутри роторного двигателя. В результате этих исследований (научных и технологических) были выпущены роторные двигатели. Наиболее преуспели в этих разработках компании из Японии и США. Главная задача, которая была поставлена, выпустить на рынок недорогие, но очень эффективные двигатели.

По мере того, как происходили разработки и испытания, производители столкнулись с несколькими техническими и технологическими проблемами. Прежде всего, проблемы касались неустойчивых процессов в камере сгорания, которая сложна по своей конфигурации. Да и сам поршень (ротор) имеет сложную геометрию.

Второй момент касался проблем с герметичностью в камере сгорания. Третий момент состоял в неравномерном нагревании различных деталей при работе роторного двигателя. Детали нагревались неравномерно, и поэтому могла возникать разная степень расширения. Это в конечном итоге могло приводить к изменению геометрии и линейных размеров деталей.

В окончательном итоге были разработаны и отправлены в серийное производство современные роторные двигатели внутреннего сгорания. Однако нужно заметить, что пока такие двигатели не часто устанавливают на автомобилях. С чем это связано, не понятно.

Возможно, двигатель пока не получается настолько дешевым, чтобы вытеснить традиционные поршневые двигатели. Может быть, пока не отработана компоновка автомобилей. Не исключено, что есть определенные технологические трудности. Но пока поршневые двигатели лидируют, несмотря на видимые преимущества роторных двигателей.

Роторный двигатель внутреннего сгорания

Роторный двигатель внутреннего сгорания, несмотря на его малое распространение сегодня, имеет богатейшую и интересную историю разработки и развития данного типа двигателей. Эти двигатели внутреннего сгорания можно разделить на несколько типов: роторно — лопастные, роторно — поршневые и сами роторные моторы.

  • Роторно — поршневой двигатель состоит из поршней и цилиндров, объединенных в одном блоке, который может быть исполнен как барабан, либо как многолучевая звезда.
  • Роторно — лопастной двигатель в составе рабочих элементов имеет лопасти, делящие корпус в виде цилиндра на две пары полостей замкнутого объема.

Наиболее простым и надежным составом компоновки обладает роторный двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочим элементом, создающим переменный рабочий объем является ротор.

Самым распространенным примером сегодня, служит мотор Ванкеля, у которого сложная форма внутренней полости и простой ротор, совершающий планетарно — круговые движения.

На основе рассмотрения конструкции роторных моторов, относительно поршневых моторов, которые имеют еще большее количество вопросов касающихся их массового применения, можно выделить следующие недостатки:

  • Усиленный износ уплотнений вращающегося ротора.
  • Усложненная система смазки вращающихся элементов.
  • Непростая форма камеры сгорания.
  • Малая величина крутящего момента.
  • Производство деталей сложной формы, требует большей точности предъявляемой к  технологическому оборудованию, требующего дорогого производственного оборудования.

Наряду с недостатками роторных двигателей, существуют и преимущества, выгодно выделяющие их в истории развития двигателестроения:

  1. Увеличение удельной мощности, по сравнению с четырех тактным поршневым мотором, в два три раза.
  2. Уменьшение количества шума и вибраций.
  3. Уменьшенное количество деталей, а соответственно меньшие габаритные размеры мотора по сравнению с поршневым мотором одинаковой мощности.

Сегодня в мире выпускается лишь один серийный автомобиль Mazda RX-8, с роторным двигателем внутреннего сгорания.

На данном японском спортивном купе установлен мотор «RENESIS», объем которого составляет всего одна целая три десятых литра, мощностью в 200 – 250 лошадиных сил, которую выдает силовой агрегат с двумя секциями роторов. Все издержки серийного производства роторных двигателей внутреннего сгорания связаны с их специфическими условиями эксплуатации, и небольшим моторесурсом, за счет большого количества постоянно трущихся уплотнений.

 Видео Роторный двигатель внутреннего сгорания

ИЗОБРЕТЕНИЕ

Патент Российской Федерации RU2133845

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

English

Имя заявителя: Лаптев Евгений Васильевич; Лаптев Дмитрий Евгеньевич

Имя изобретателя: Лаптев Евгений Васильевич; Лаптев Дмитрий Евгеньевич

Имя патентообладателя: Лаптев Евгений Васильевич; Лаптев Дмитрий Евгеньевич

Адрес для переписки: 443002, Самара, пр.Ленина, д.2а, кв.105, Лаптеву Е.В.

Дата начала действия патента: 1998.03.11

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания. Технический результат - повышение мощности двигателя и упрощение управления системой заслонок. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. Внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков. На внешних поверхностях дисков выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы. Диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого. Заслонки попарно размещены около каждой камеры внутреннего сгорания, причем одна из заслонок каждой камеры установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, тракторостроении и других областях, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

В современном двигателестроении известны роторные двигатели внутреннего сгорания различного типа. Их можно разделить на роторно-поршневые, роторно-лопастные и собственно роторные двигатели. Роторно-поршневые двигатели содержат поршни и цилиндры, которые объединяются в единый блок либо в виде многолучевой звезды, либо в виде барабана. В звездообразных двигателях каждый поршень имеет ролик, опирающийся на рабочую дорожку, проточенную в виде "восьмерки" на неподвижном силовом кольце, а в центре корпуса расположен неподвижный золотник для подвода рабочей смеси в цилиндры. В двигателях барабанного типа поршни движутся в цилиндрах навстречу друг другу, образуя рабочие камеры переменного объема, а их поступательное движение преобразуется во вращательное движение вала с помощью "косых" шайб. В роторно-лопастных двигателях внутреннего сгорания основными рабочими элементами являются лопасти, которые делят цилиндрическую полость корпуса на четыре замкнутых объема. Для осуществления в них термодинамических процессов лопасти должны совершать сложное движение, которое кроме вращательного состоит также из движения, подобного движениям ножниц. Более простую конструкцию имеют собственно роторные двигатели внутреннего сгорания, в которых переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов образуются рабочими поверхностями ротора и корпуса. Такие двигатели имеют либо внутреннюю полость сложной формы и простой ротор как, например, в двигателях Ванкеля, либо цилиндрическую форму внутренней полости и ротор сложной конструкции с подвижными поршнями (см. например, книгу Гуськова Г.Г. Необычные двигатели. - М. Знание, 1971 г. авт. св. N 1518555, кл. F 02 B 53/00, 1989) .

Основным недостатком известных роторно-поршневых и собственно роторных двигателей внутреннего сгорания является небольшой ресурс их работы вследствие быстрого износа рабочих поверхностей, что обусловлено наличием больших центробежных сил, действующих на рабочие элементы двигателя. К недостаткам известных собственно роторных двигателей, кроме того, можно отнести также ненадежную работу уплотнений, неудобную форму камеры сгорания, сложную форму внутренней полости либо сложную конструкцию ротора. Основным недостатком роторно-лопастных двигателей внутреннего сгорания является сложная система управления лопастями.

В значительной мере от отмеченных недостатков свободны роторные двигатели с цилиндрической внутренней полостью и простым ротором, переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов в которых образуются с помощью профилирования наружной поверхности ротора и установки системы заслонок в пазах корпуса.

Наиболее близким по технической сущности является роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерой сгорания, снабженной перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. В средней части ротора указанного двигателя выполнен выступ, входящий в кольцевую проточку корпуса, являющуюся рабочей камерой двигателя. Заслонки подразделяются на переднюю, заднюю, разделительную и имеют механизм управления, который снабжен толкателем и двумя двуплечими рычагами, кинематически связанными между собой и с заслонками, причем толкатель установлен в полости корпуса с возможностью взаимодействия с внешней поверхностью ротора, а разделительная заслонка выполнена полой в виде золотникового клапана с возможностью перекрытия впускного канала (см. патент РФ N 2008468, кл. F 02 B 53/00, 1991) .

К основным недостаткам описанного двигателя внутреннего сгорания можно отнести сложную систему управления заслонками и невысокую мощность, обусловленную тем, что за один оборот ротора в этом двигателе совершается только один рабочий цикл.

Целью настоящего изобретения является повышение мощности двигателя и упрощение управления системой заслонок.

Поставленная цель достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения.

Корпус двигателя может быть выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора могут быть установлены кольцевые уплотнения.

Заслонки могут быть подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми могут быть образованы каналы для подачи смазывающей жидкости.

С целью повышения КПД и улучшения экологических показателей двигателя рабочие объемы в полости расширения могут быть выполнены больше, чем в полости сжатия.

С целью обеспечения воздушного охлаждения двигателя диски ротора могут быть снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса могут быть выполнены вентиляционные окна.

Разделение внутренней цилиндрической полости корпуса на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, выполнение ротора из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых имеются чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, разворот дисков так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого, попарное размещение заслонок около каждой камеры сгорания, установка одной из заслонок каждой пары в полости сжатия, а другой в полости расширения позволяет в несколько раз повысить мощность двигателя за счет увеличения количества рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора, и упростить управление заслонками до минимума, поскольку для его осуществления не требуется никаких механизмов, кроме пружин, прижимающих их к внешним профилированным поверхностям ротора. Количество рабочих циклов за один оборот ротора и соответственно степень повышения мощности двигателя зависит от количества камер сгорания. При двух камерах за один оборот ротора в предлагаемом двигателе совершается два рабочих цикла, при четырех камерах - восемь, при шести - восемнадцать и т.д.

Выполнение корпуса двигателя разборным позволяет существенно упростить технологию его изготовления, а выполнение заслонок из двух профилированных пластинок - достаточно просто обеспечить смазку рабочих поверхностей двигателя.

Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ.

Устройство предлагаемого двигателя в четырехкамерном карбюраторном варианте показано на фиг. 1, 2, где стрелками показано движение рабочей смеси.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания 2, снабженными перекрывающимися перепускными каналами 3, 4 и источниками воспламенения 5, ротор 6 и систему заслонок 7, 8, установленных в пазах корпуса 1 и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора 6.

Корпус 1 выполнен разборным, состоящим из центрального элемента 9, двух статорных элементов 10, 11 с пазами для установки заслонок 7, 8 и двух боковых крышек 12 с местами крепления вала 13 ротора 6. Статорные элементы 10 и 11 образуют самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четыре равномерно размещенных по окружности центрального элемента 9 камеры сгорания 2 с перепускными каналами 3 и 4, а между контактирующими элементами корпуса 1 и ротора 6 установлены кольцевые уплотнения 14.

Ротор 6 состоит из двух установленных на общем валу 13 и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков 15 и 16 соответственно, на внешних поверхностях каждого из которых выполнены по два чередующихся с цилиндрическими частями сегментообразных выреза, которые вместе с заслонками 7, 8 образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов. Диски 15 и 16 развернуты относительно друг друга так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого.

Заслонки 7 и 8 имеют одинаковую конструкцию и выполнены в виде подвижных подпружиненных профилированных и соприкасающихся пластинок 17 и 18, между которыми образованы каналы 19 для подачи смазывающей жидкости, снабжены перекрывающимися каналами 20 впуска-выпуска и попарно размещены около каждой камеры сгорания 2. При этом заслонки 7 каждой пары установлены в полости сжатия, а заслонки 8 - в полости расширения.

Рабочие объемы в полости расширения за счет большей ширины диска 16 ротора 6 выполнены больше, чем рабочие объемы в полости сжатия.

Диски 15 и 16 ротора снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости 21, а во внутренних частях центрального элемента 9 и боковых крышек 12 корпуса 1 выполнены вентиляционные окна 22 и 23.

Двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора 6 напротив каждой камеры сгорания 2 поочередно оказываются то сегментообразные вырезы, то цилиндрические части дисков 15 и 16. Когда перед какой-либо камерой сгорания 2 проходит сегментообразный вырез диска 15, то заслонка 7 в полости сжатия опущена, ее канал впуска-выпуска 20 с задней стороны открыт, перепускной канал 3 камеры сгорания 2 со стороны полости сжатия открыт, а перепускной канал 4 со стороны полости расширения закрыт цилиндрической частью диска 16, заслонка 8 в полости расширения поднята, ее канал впуска-выпуска 20 закрыт. В это время в уменьшающемся рабочем объеме, образованном сегментообразным вырезом диска 15 перед заслонкой 7, происходит сжатие рабочей смеси, впущенной в него при прохождении предыдущей заслонки 7, и нагнетание ее в камеру сгорания 2 через перепускной канал 3. Одновременно в увеличивающийся рабочий объем за заслонкой 7 производится впуск свежего заряда рабочей смеси через ее открытый канал 20. Когда следующая за сегментообразным вырезом цилиндрическая часть диска 15 в процессе поворота достигнет рассматриваемой камеры сгорания 2, сжатие рабочей смеси заканчивается и перепускной канал 3 перекрывается цилиндрической частью диска 15 на все время ее прохождения мимо камеры сгорания 2. Заслонка 7 поднимается, ее канал впуска-выпуска 20 перекрывается. В момент перекрытия перепускного канала 3 или несколько раньше производится воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 2 источником воспламенения 5 и начинается процесс ее горения. К этому времени перед рассматриваемой камерой сгорания 2 оказывается сегментообразный вырез диска 16. Заслонка 8 в полости расширения опускается, ее канал впуска-выпуска 20 и перепускной канал 4 камеры сгорания 2 открываются и начинается процесс расширения образовавшихся при горении рабочей смеси газов в увеличивающийся рабочий объем, образованный за заслонкой 8. В процессе расширения совершается полезная работа по вращению ротора 6. Одновременно производится выпуск отработавших в рабочем цикле предыдущей камеры сгорания 2 газов из уменьшающегося рабочего объема перед заслонкой 8 через ее открытый канал впуска-выпуска 20. Расширение продолжается до тех пор, пока сегментообразный вырез диска 16 не достигнет следующей заслонкой 8, через канал 20 которой будет произведен выпуск отработавших в рассматриваемом рабочем цикле газов.

При вращении ротора 6 установленные под углом к осям дисков 15 и 16 ребра жесткости осуществляют прокачку воздуха через вентиляционные окна 22 и 23 центрального элемента 9 и боковых крышек 12 корпуса 1, обеспечивая воздушное охлаждение двигателя, а через каналы 19, образованные в заслонках 7 и 8, непрерывно подается смазывающая рабочие поверхности ротора 6 жидкость.

Поскольку каждый сегментообразный вырез дисков 15 и 16 за один оборот ротора 6 проходит четыре камеры сгорания 2 и таких вырезов в приведенном варианте двигателя по два, то за один оборот ротора 6 будет совершаться по восемь тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска рабочей смеси, т.е. число полных рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора 6, будет равно восьми.

Возможен также вариант двигателя, в котором перекрывающиеся каналы впуска-выпуска выполнены в боковых крышках 12 корпуса 1. Впускные каналы в полость сжатия при этом размещаются за заслонками 7, а выпускные из полости расширения - перед заслонками 8, что позволяет упростить схему газообмена и уменьшить гидравлические сопротивления при впуске-выпуске рабочей смеси.

Аналогично устроен и работает двигатель при любом другом количестве камер сгорания и может использоваться как в карбюраторном, так и в дизельном вариантах. В дизельном варианте в рабочие объемы в полости сжатия впускается воздух, а вместо источников воспламенения 5 устанавливаются форсунки для впрыска топлива.

В силу полной симметрии двигатель хорошо сбалансирован, не имеет соударяющихся элементов и практически бесшумен.

Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ.

Повышение КПД двигателя возможно не только за счет осуществления в нем рабочих циклов с продолженным расширением, но и за счет обеспечения горения рабочей смеси при постоянном объеме, что особенно эффективно для дизельного варианта двигателя и может быть легко достигнуто путем разнесения во времени моментов закрытия перепускных каналов камер сгорания со стороны полости сжатия и открытия их со стороны полости расширения.

Двигатель содержит небольшое количество создающих трение элементов, вследствие чего имеет невысокий процент механических потерь.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующие преимущества:

в несколько раз большую удельную мощность, чем у известных двигателей;

высокую мощность двигателя при небольших оборотах ротора;

большой крутящий момент на валу двигателя;

большой ресурс работы за счет малого износа рабочих поверхностей двигателя;

малые габариты, простую конструкцию двигателя и его основных элементов;

простую систему смазки рабочих поверхностей двигателя;

высокие термический и эффективный КПД;

минимальный шум двигателя.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения.

Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора установлены кольцевые уплотнения.

Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что заслонки подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми образованы каналы для подачи смазывающей жидкости.

Роторный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что рабочие объемы в полости расширения выполнены больше, чем рабочие объемы в полости сжатия.

Роторный двигатель внутреннего сгорания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диски ротора снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса выполнены вентиляционные окна.

Версия для печати

Дата публикации 24.12.2006гг

Двухцилиндровый роторно-лопастной двигатель Романова

Описание:

Два двигателя в одном. Аналогов нет, содержит эксцентрично установленный в 2-х кольцевых цилиндрах ротор с кольцевыми цилиндрическими выступами в цилиндрических каналах которых на шарнирах установлены лопасти. В каждом из 2-х цилиндров две полости сжатия.Более совершенный вариант - газопаровой турбодвигатель на http:// www.rovlan.narod.ru.

vaz-time24.ru

Способ повышения кпд двигателей с помощью сложного теплового цикла, роторно-поршневой двигатель для осуществления указанного способа и регулятор оборотов вала роторно-поршневого двигателя

Изобретение относится к двигателестроению. Способ повышения КПД двигателей осуществляется с помощью теплового цикла, включающего в себя цикл внутреннего сгорания и теплообменный цикл сбора тепловых потерь. Цикл внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: всасывания топлива, сжатия, рабочего хода и выхлопа. Теплообменный цикл сбора тепловых потерь осуществляют за счет прохождения воды через каналы теплообмена корпуса горячей секции и за счет охлаждения водой камер сгорания. Вводят цикл использования этих потерь в рабочем ходе двигателя, включающий нагрев воды до температуры кипения для последующего впрыскивания ее в камеры сгорания. В цикл внутреннего сгорания двигателя дополнительно и параллельно ему введен паровой цикл, представляющий собой впрыскивание кипящей воды (пара) в камеры сгорания с увеличением массы рабочего тела в два раза и образованием парогазовой смеси. Теплообменный цикл сбора тепловых потерь включает также прохождение воды через каналы теплообмена выхлопной трубы и последующее использование подогретой воды в паровом цикле. Техническим результатом является повышение КПД. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Заявляемая группа изобретений относится к области двигателестроения, преимущественно к производству роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для использования в автомобилях.

В настоящее время в автомобилестроении применяются различные способы повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигателей и различные конструкции двигателей.

Известен, например, роторный двигатель, содержащий корпус с впускным и выпускным клапанами и торцевыми крышками, профилированный цилиндрический ротор с выступами, концентрично установленный в корпусе с образованием с внутренней поверхностью последнего рабочих камер, подпружиненную разделительную лопасть, установленную в радиальном пазу корпуса между впускным и выпускным каналами с возможностью взаимодействия с профилированной поверхностью ротора, и клапан, размещенный в пазу корпуса с возможностью взаимодействия с разделительной пластиной и перекрытия впускного клапана, причем двигатель снабжен уплотнительными элементами, расположенными на выступах ротора, клапан выполнен в виде двух пластин с окнами, одна из которых неподвижно закреплена во впускном канале, другая размещена в последнем с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно первой и совмещения окон, а ширина лопасти равна ширине ротора в направлении продольной оси движения (патент СССР №1836573, кл. F01C 1/356, приоритет 11.01.91 г., опубл. 23.08.93 г., бюл. №31).

Недостатком известного двигателя является недостаточно эффективный тепловой цикл с одноразовым преобразованием тепла в полезную работу, кроме того, ротор вращается эксцентрично, что приводит к вибрациям, потере энергии и сокращению моторесурса двигателя.

Известен также роторно-поршневой двигатель братьев Ольховенко, содержащий цилиндрический корпус с боковыми крышками и размещенными в нем всасывающим и выхлопным окнами, расположенную в корпусе камеру сгорания, оснащенную источником воспламенения, ротор, поршневые элементы, имеющие шарнирное крепление на эксцентриковом валу и опирающиеся на ротор и боковые крышки корпуса, механизм синхронизации эксцентрикового вала и перекрывающие всасывающие и выхлопные окна кольца, уплотнение и систему смазки, в котором полнопоточная камера сгорания, внутренние стенки которой облицованы огнеупорным теплоизолятором, контактирует с внутренней частью двигателя посредством впускного и выпускного окон, при этом выпускное окно камеры сгорания расположено примерно диаметрально по отношению к выхлопному окну двигателя, всасывающее окно которого расположено примерно под углом 140 градусов к впускному окну камеры сгорания, источник воспламенения в камере сгорания работает во время пуска двигателя и отключается после его прогрева, камера сгорания снабжена отверстием для газа, имеющим возможность соединения с отверстием подачи сжатого газа в полость двигателя, в роторе которого по периферии размещены перегородки, ограниченные диаметром ротора, радиусом поршня и головкой поршня, в промежуточном вале, выполненном с возможностью поворота, имеющем общую ось с ротором, расположен опорный вал, поршневые элементы, усиленные ребрами жесткости в сечении Ш-образной формы, имеют кривизну, равную радиусу диска ротора, теплоизолированы со стороны, обращенной к обечайке корпуса, шарнирно связаны с роторными дисками, имеющими теплоизоляцию, и шатунами, шарнирно связанными со ступицей шатунов, жестко связанной с опорным валом, имеющим зубчатое колесо, связанное с блоком шестерен промежуточного вала, который посредством блока шестерен связан с зубчатым колесом ротора с передаточным числом один к одному, обеспечивающим вращение ротора и ступицы шатунов с одинаковым числом оборотов (патент РФ №2168034, кл. F02B 55/00, приоритет 14.05.97 г., опубл. 2001.05.27).

Недостатком известного двигателя является сложность конструкции и недостаточно высокий КПД, обусловленный наличием сложных шестеренчатых передач, шатунов, опорных и промежуточных валов.

Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является сбалансированный роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту США №3797464, 1974 г., содержащий корпус и ротор с дуговыми поверхностями, ротор вращается относительно корпуса, на дуговых поверхностях корпуса и ротора установлены подпружиненные выдвижные лопатки, осуществляющие передачу усилий газов при рабочем ходе в наиболее удаленной от центра вращения точке по касательной к окружности вращения ротора, каналы газообмена, систему газораспределения, систему зажигания, систему охлаждения, боковые уплотнительные кольца, торцевые крышки.

Недостатком известного роторного двигателя внутреннего сгорания является низкий КПД, обусловленный в первую очередь тем, что через систему охлаждения и выхлопную трубу теряется до 65% тепла. Камера сгорания, расположенная внутри корпуса, нагревает весь двигатель и вынуждает иметь мощную систему охлаждения, что усложняет конструкцию и удорожает двигатель.

Задачей группы изобретений является устранение указанных недостатков и создание способа повышения КПД роторно-поршневого двигателя за счет использования сложного теплового цикла, устройства, его осуществляющего - роторно-поршневого двигателя, а также регулятора оборотов вала указанного двигателя.

Способ повышения КПД двигателей включает в себя цикл внутреннего сгорания, теплообменные циклы сбора тепловых потерь, при этом цикл внутреннего сгорания, состоящий из четырех тактов: всасывания топлива, сжатия, рабочего хода и выхлопа, осуществляют за время прохождения одного такта, теплообменный цикл сбора тепловых потерь осуществляется за счет прохождения воды через каналы теплообмена корпуса горячей секции и охлаждения водой камеры сгорания, и цикл использования этих потерь в рабочем ходе двигателя, включающий нагрев воды до температуры кипения для последующего впрыскивания ее в камеры сгорания, кроме того, в цикл внутреннего сгорания двигателя дополнительно и параллельно ему введен паровой цикл, представляющий собой впрыскивание кипящей воды (пара) в камеры сгорания с увеличением массы рабочего тела примерно в два раза и образованием парогазовой смеси, а теплообменный цикл сбора тепловых потерь включает также прохождение воды через каналы теплообмена выхлопной трубы. Роторно-поршневой двигатель для реализации указанного способа включает в себя корпус, ротор, вал, камеру сгорания, две отделенные друг от друга секции: холодную, где идут такты всасывания и сжатия, и горячую, где идут такты рабочего хода и выхлопа, между секциями установлен газораспределительный диск, с внешней стороны двигателя каждая секция имеет торцевые крышки, при этом внутри каждой секции установлен выполненный, например, в виде эллипса ротор, причем ротор горячей секции имеет большую ширину, чем ротор холодной секции, для увеличения площади приложения силы, оба ротора закреплены на валу, горячая секция имеет больший объем, чем холодная, для увеличения длины рабочего хода, на дуговых поверхностях корпуса и роторов установлены сменные пластины из износостойкого материала, в горячей секции под указанной пластиной установлены дополнительно теплоизоляционные ленты, а дуговые поверхности корпусов и роторов образуют не менее двух рабочих камер, при этом на роторы установлены подпружиненные выдвижные рабочие лопатки, на корпусе в обеих секциях установлены разграничивающие один такт от другого лопатки, количество которых равно количеству лопаток на роторах, а камеры сгорания вынесены из внутреннего объема корпуса на его внешнюю поверхность, причем на каждую рабочую камеру горячей секции установлены по две камеры сгорания, работающие поочередно, при этом камеры сгорания теплоизолированы от корпуса прокладками и закрыты теплоизолирующим колпаком, ротор горячей секции по отношению к ротору холодной секции смещен в сторону, противоположную направлению вращения, для обеспечения запаздывания рабочего хода на время, достаточное для полного сгорания топливной смеси, впрыскивания воды в камеры сгорания и парообразования. Регулятор оборотов вала роторно-поршневого двигателя содержит вал, корпус, торцевые крышки, подшипники, причем на валу установлены пластины, которые с помощью шарниров, грузов и тяг, расположенных между пластинами, соединены между собой и с системой рычагов, на валу установлена пружина с возможностью сжатия при вращении вала от действия центробежной силы, при этом пружина через указанные пластины и систему рычагов может закрывать или открывать кран топливопровода.

Группа изобретений иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - продольный разрез двигателя по А-А, на фиг.2 - разрез Б-Б через горячую секцию при двух рабочих камерах в секции, на фиг.3 - схема работы двигателя с улучшенным тепловым циклом, на фиг.4 - разрез Б-Б через горячую секцию при трех рабочих камерах в секции, на фиг.5 - разрез Б-Б через горячую секцию при четырех рабочих камерах в секции, на фиг.6 - регулятор оборотов вала роторно-поршневого двигателя, на фиг.7 - рабочая лопатка холодной секции, на фиг.8 - схема сбора тепловых потерь выхлопных газов, продольный разрез.

Предлагаемый роторно-поршневой двигатель (фиг.1) включает в себя корпус 1, две отделенных друг от друга секции: холодную 2 и горячую 3, каждая секция имеет с двух сторон по два уплотнительных кольца 4 и внутренние уплотнительные кольца 5. С внешней стороны двигателя каждая секция имеет торцевые крышки 6. Внутри каждой секции находится выполненный в виде эллипса ротор. Ротор 7 холодной секции имеет в несколько раз меньшую ширину, чем ротор 8 горячей секции. Ротор 8 горячей секции шире ротора 7, так как объем рабочего тела в горячей секции 3 двигателя больше, чем в секции 2. За счет увеличения габаритов ротора 8 увеличена площадь приложения силы при прохождении рабочего хода и увеличен КПД. Оба ротора 7 и 8 с помощью шлицев соединены с полым валом 9, вращающимся на подшипниках 10. Между секциями 2 и 3 установлен газораспределительный диск 11. С внешней стороны секций ставятся и закрепляются на валу опорные шайбы 12. На дуговые поверхности корпуса и роторов установлены штампованные из металла пластины 13, что упрощает ремонт двигателя (при их износе достаточно снять изношенные пластины и установить новые). В горячей секции 3 под эти металлические пластины 13 ставятся такие же по форме и размерам теплоизоляционные ленты 14. Между боковыми уплотнительными кольцами 4 в горячей секции 3 также установлены теплоизоляционные кольца 15. Эта теплоизоляция позволяет значительно снизить тепловые потери в двигателе. Подшипники 10 с внутренней и внешней сторон имеют крышки 16. Дуговые поверхности корпусов 1 и роторов 7 и 8 образуют как в холодной секции 2, так и в горячей секции 3 несколько, например две, рабочие камеры 17. На ротор 7 холодной секции 2 и ротор 8 горячей секции 3 установлены подпружиненные выдвижные рабочие лопатки 18, на корпусе в обеих секциях 2 и 3 установлены по две разграничивающие один такт от другого лопатки 19 для уменьшения износа всех лопаток и металлических лент как на корпусе двигателя, так и на роторе, на концах лопаток, соприкасающихся с лентами, выполнена круглая проточка, куда вставлен несколько меньшего диаметра круглый ролик 51 (фиг.7), выполняющий роль подшипника. На дне проточки выполнена канавка 52 для смазки ролика. Таким образом, трение при скольжении лопаток заменяется качением, ролики катятся по дуговым поверхностям корпуса и роторов, сокращая их износ и потери энергии на трение, увеличивая тем самым моторесурс двигателя, удлиняя межремонтный период и сокращая расходы на эксплуатацию. Камеры сгорания 20 вынесены из внутреннего объема корпуса 1 на его внешнюю поверхность. На каждую рабочую камеру 17 горячей секции 3 установлены по две работающие поочередно камеры 20 сгорания, которые снабжены свечами зажигания (не показаны) и расположены с разных сторон корпуса 1. Камеры 20 через газообменные каналы (не показаны) и газораспределительную систему (не показана) соединяют холодную секцию 2 с горячей секцией 3. От корпуса 1 камеры сгорания 20 теплоизолированы прокладками 21, сверху они закрыты колпаком 22, и он изнутри и снаружи также покрыт теплоизоляцией. Теплоизоляция горячей секции 3 дает возможность собрать тепло в камерах сгорания 20, изолировать его от корпуса 1 и внешней среды, использовать его в паровом цикле для получения полезной работы и увеличения КПД. Во внутренних уплотнительных кольцах 5 (фиг.2) горячей секции 3 имеются сообщающиеся между собой полости 23. Через нижний патрубок 24 полости соединены с водяной емкостью (не показана), а через верхний патрубок 25 соединены с радиатором водяного охлаждения (не показан). Охлаждение ротора горячей секции осуществляется воздухом от вентилятора через полую ось-трубу, как показано на фиг.1.

Регулятор оборотов вала роторно-поршневого однотактного двигателя включает в себя корпус 26 (фиг.6), представляющий из себя отрезок трубы с лапами для крепления к корпусу двигателя (не показано), торцевые крышки 27, в них имеются гнезда для подшипников 28, на которых вращается вал 29, выходящий с одной стороны за заднюю торцевую крышку 27 на 4-5 см, на этот конец вала 29 крепится либо шкив, либо шестерня (не показано) для создания кинематической связи с валом 9. Внутри корпуса 26 с задней стороны вал 29 имеет резьбу, на которую заворачиваются две гайки 30, между которыми установлена пластина 31, эта пластина и гайки служат для настройки регулятора оборотов на необходимый режим работы и вращаются вместе с валом 29. На вал 29 надета спиральная пружина 32 и каретка 33, каретка не вращается вместе с валом 29, а только перемещается вдоль него. Каретка 33 со стороны пружины 32 имеет бортик, в который упирается пластина 34, имеющая гнездо для подшипника 35. Пластины 31 и 34 на шарнирах через грузы 36 и тяги 37 соединены между собой. К каретке 33 с другого ее конца жестко закреплена пластина 38, имеющая отверстия для крепления проволочных тяг 39, которые через систему рычагов 40 соединены с краном 41 на топливопроводе 42.

Сбор тепловых потерь выхлопных газов осуществляется путем установки теплообменной трубы 43 на выхлопную трубу 44 с образованием зазора 45 для циркуляции воды. Для увеличения площади теплообмена и уменьшения габаритов теплообменного устройства выхлопные газы поступают в змеевик 46, который расположен в корпусе 47 теплообменного устройства. Для заливки воды корпус имеет горловину 48, а для слива воды - сливной кран 49. Корпус 47 и труба 43 покрыты слоем теплоизоляции 50 для уменьшения тепловых потерь.

Двигатель реализует способ повышения КПД следующим образом (фиг.3). При вращении ротора 7 холодной секции 2 в обеих его рабочих камерах 17 обе его выдвижные рабочие лопатки 18 вместе с ротором 7 начинают движение по дуговым поверхностям корпуса 1, а выдвижные лопатки 19 корпуса 1 одновременно начинают движение по дуговым поверхностям ротора 7. Между ними в обеих рабочих камерах 17 увеличиваются объемы, создается разрежение, и топливная смесь из карбюратора через газообменные каналы поступает в обе рабочие камеры 17 холодной секции 2. При вращении ротора 7 его выдвижные лопатки 18 проходят выдвижные лопатки 19 корпуса 1, которые отсекают в обеих рабочих камерах 17 определенное их объемом количество топливной смеси. Продолжая двигаться, лопатки 18 ротора 7 начинают одновременно с одной стороны лопатки 18 сжимать, а с другой стороны этой лопатки всасывать топливную смесь. Сжимаемая топливная смесь через газораспределительную систему подается в одну их камер сгорания 20. Холодная секция 2 в данном случае работает как насос, горячая секция 3 работает как расширитель, выходящая из камер сгорания 20 парогазовая смесь толкает лопатки 18 ротора 8, совершая рабочий ход, с противоположной стороны этой лопатки одновременно идет выхлоп. Камеры сгорания 20 в двигателе работают поочередно, если в одной из них идет такт сжатия, то в другой одновременно идет такт рабочего хода и наоборот. Такое постоянное одновременное параллельное прохождение четырех тактов сложного теплового цикла за время прохождения одного такта означает, что двигатель однотактный, за счет чего за один оборот вала 9 при двух рабочих камерах 17 в секциях 2 и 3 проходят четыре рабочих хода, при трех рабочих камерах (фиг.4) в секциях - девять рабочих ходов, при четырех рабочих камерах (фиг.5) - шестнадцать рабочих ходов и так далее, но при обязательном условии установки двух камер сгорания 20 на каждую рабочую камеру 17. Для осуществления парового цикла впрыскивание воды в камеры сгорания 20 нужно производить только после полного сгорания топливной смеси, для этого нужно время, время нужно и для испарения воды и нагревания пара. Для этого ротор 8 горячей секции 3 смещен по отношению к ротору 7 холодной секции 2, поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения, для запаздывания начала такта «рабочий ход» на угол, достаточный по времени движения ротора 8 для полного сгорания топливной смеси, образования и нагревания пара. Парогазовая смесь не оставляет в камерах сгорания нагара, часто являющегося причиной детонации топлива. Остающееся в камерах сгорания после прохождения рабочего хода некоторое количество парогазовой смеси является идеальной, совершенно безвредной антидетонационной присадкой к топливной смеси. Парогазовая смесь из камер сгорания 20 через каналы газообмена подается в рабочие камеры 17 горячей секции 3 для совершения полезной работы. Длина дуговых поверхностей корпуса 1 в рабочих камерах 17 как в холодной 2, так и в горячей 3 секциях от одной лопатки 19 до другой при радиусе вращения ротора 8 от центра вращения вала до наиболее удаленной части ротора 8, например, 10 см составит 40-42 см, длина рабочего хода с учетом наличия газообменных каналов составит 30-35 см, что будет способствовать повышению КПД. Паровой цикл может быть построен и по-другому. Например, в камеры сгорания 20 можно подавать не воду, а нагретый пар, но для этого потребуется более сложная система нагревания пара и его подачи в камеры сгорания, а достигнутое увеличение КПД окажется незначительным.

Регулятор оборотов вала (фиг.6) работает следующим образом. При уменьшении нагрузки, например, при движении под уклон или при остановках увеличивается число оборотов вала 9 двигателя, и это увеличение оборотов передается на вал 29 и через тяги 37 и грузы 36 на систему рычагов 40. Увеличивается частота вращения, и центробежная сила через пластины 31 и 34 сжимает пружину 32 и закрывает при этом кран 41 топливопровода 42. Рычаг, идущий от регулятора, имеет продольное, длиной несколько миллиметров, отверстие, которое дает возможность работать двигателю в определенном диапазоне частот вращения и при достижении некоего порога частоты он закрывает кран 41 подачи топлива, в это время вал 9 двигателя несколько минут вращается по инерции, экономя топливо, а при достижении наименьшего значения частоты вращения (не равной нулю) открывает его. Двигатель, сделав 4-5 рабочих ходов, вновь набирает скорость вращения и вновь закрывает кран подачи топлива. Применение в двигателе данного регулятора может сэкономить при езде вне города 10-15%, а в городе до 30% топлива, уменьшить выбросы в атмосферу выхлопных газов и тепла.

При организации парового цикла на каждый литр топливной смеси требуется 1 куб. см воды, при двух рабочих камерах 17 в секциях при тысяче оборотов вала 9 и роторов 7 и 8 в минуту произойдет 4000 циклов с расходом воды 4 литра, за час работы двигателя потребуется 240 литров воды, поэтому для двигателя предусмотрена оборотная система водоснабжения с конденсацией пара (не показана). Для уменьшения шума при выхлопе рабочие камеры 17 в горячей секции 3 можно выполнить по объему несколько больше объема рабочего тела. После сгорания топливной смеси в камере сгорания объемом в 125 куб. см получим рабочее тело с давлением 50 бар. Уходящие выхлопные газы используют в своем рабочем ходе только часть температурного диапазона цикла ДВС, преобразуется в полезную работу в среднем 35%. Основная часть тепла через выхлопную трубу и систему охлаждения в известных двигателях выбрасывается в атмосферу. Предлагаемый двигатель закрывает эти каналы потерь тепла. Основной источник тепла и нагревания двигателя - расположение камер сгорания во внутренней его части. Для повышения КПД необходимо вынести камеры сгорания на внешнюю поверхность корпуса, теплоизолировать их, уменьшить нагревание двигателя и снизить температуру рабочего тела не менее чем вдвое. Для этого после окончания сгорания топливной смеси в камеры сгорания насосом через распылительные форсунки впрыскивается предварительно нагретая теплообменными циклами сбора тепловых потерь вода, например 1 куб. см, при ее испарении получим 1600 куб. см пара, масса рабочего тела увеличится. Снижение температуры увеличенной массы рабочего тела произойдет внутри замкнутого объема камер сгорания без потерь энергии. Давление при этом поднимется незначительно, на 2-3 бар. Увеличение давления произойдет за счет нагревания воды теплообменными циклами сбора тепловых потерь и использования этой энергии в сложном тепловом цикле (когда и параллельно, и последовательно идут одновременно несколько тепловых циклов с установлением связей между ними).

Увеличения мощности двигателя можно добиться двумя способами, например на удлиненный вал поставить несколько однотипных двигателей или увеличить количество рабочих камер 17 в секциях 2 и 3 и соответственно увеличить количество циклов за один оборот вала 9 (фиг.4 и 5).

Повышение КПД предлагаемого двигателя достигается также за счет введения парового цикла, с помощью которого снижается температура рабочего тела в камерах сгорания без потерь энергии до 1100-1200 градусов, тем самым снижается температурный напор на корпус и узлы двигателя, увеличивается в несколько раз масса рабочего тела, объем расширения, площадь приложения силы и длина рабочего хода, что позволяет улучшить соотношение между массой рабочего тела и его температурой, давлением, объемом расширения и временем прохождения теплового цикла. Благодаря этому обеспечена однотактность двигателя, постоянное одновременное параллельное прохождение всех четырех тактов цикла за время прохождения одного такта и тем самым «сжатие» теплового цикла во времени, что вместе с теплоизоляцией горячей секции 3 и камер сгорания 20 резко уменьшает бесполезное расходование тепла на нагревание двигателя, а температура выхлопных газов снижается до 150-200 градусов, тем самым повышена эффективность использования тепловой энергии в двигателе и повышен его КПД.

Полезная работа роторно-поршневого двигателя на основе вышеописанного сложного теплового цикла будет равна:

L=(t1-t2):t1,

где L - КПД в процентах, t1 - температура рабочего тела перед началом рабочего хода, t2 - температура выхлопных газов.

КПД=(1150-200):1150=82%.

КПД может колебаться около приведенного значения на ±5%. Наряду с увеличением КПД двигателя достигаются и другие положительные эффекты, сокращается расход энергоресурсов, уменьшаются выбросы в атмосферу тепла и выхлопных газов, выхлопные газы за счет присутствия водяного пара имеют меньшую токсичность, что позволит улучшить экологическую обстановку, особенно в крупных городах.

1. Способ повышения КПД двигателей с помощью теплового цикла, включающего в себя цикл внутреннего сгорания и теплообменный цикл сбора тепловых потерь, цикл внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: всасывания топлива, сжатия, рабочего хода и выхлопа, теплообменный цикл сбора тепловых потерь осуществляют за счет прохождения воды через каналы теплообмена корпуса горячей секции, отличающийся тем, что теплообменный цикл сбора тепловых потерь осуществляют также за счет охлаждения водой камер сгорания и вводят цикл использования этих потерь в рабочем ходе двигателя, включающий нагрев воды до температуры кипения для последующего впрыскивания ее в камеры сгорания, кроме того, в цикл внутреннего сгорания двигателя дополнительно и параллельно ему введен паровой цикл, представляющий собой впрыскивание кипящей воды (пара) в камеры сгорания с увеличением массы рабочего тела в два раза и образованием парогазовой смеси, а теплообменный цикл сбора тепловых потерь включает также прохождение воды через каналы теплообмена выхлопной трубы и последующее использование подогретой воды в паровом цикле.

2. Роторно-поршневой двигатель для реализации способа повышения КПД двигателей, включающий в себя корпус, вал, камеру сгорания, корпус выполнен из двух отделенных друг от друга секций: холодной, где идут такты всасывания и сжатия, и горячей, где идут такты рабочий ход и выхлоп, на корпусе в обеих секциях установлены разграничивающие один такт от другого лопатки, камеры сгорания вынесены из внутреннего объема корпуса на его внешнюю поверхность, причем на каждую рабочую камеру горячей секции установлены по две камеры сгорания, работающие поочередно, отличающийся тем, что двигатель включает в себя регулятор оборотов вала, между секциями установлен газораспределительный диск, при этом внутри каждой секции установлен выполненный, например, в виде эллипса ротор, причем ротор горячей секции имеет большую ширину, чем ротор холодной секции для увеличения площади приложения силы, оба ротора закреплены на валу, горячая секция имеет больший объем, чем холодная для увеличения длины рабочего хода, а дуговые поверхности корпуса и роторов образуют не менее двух рабочих камер, при этом на роторы установлены подпружиненные выдвижные рабочие лопатки, количество разграничивающих один такт от другого лопаток, установленных на корпусе в обеих секциях, равно количеству лопаток на роторах, при этом ротор горячей секции по отношению к ротору холодной секции смещен в сторону, противоположную направлению вращения, для обеспечения запаздывания рабочего хода на время, достаточное для полного сгорания топливной смеси, впрыскивания воды в камеры сгорания и парообразования.

3. Роторно-поршневой двигатель по п.2, отличающийся тем, что с внешней стороны двигателя каждая секция имеет торцевые крышки.

4. Роторно-поршневой двигатель по п.2, отличающийся тем, что на дуговых поверхностях корпуса и роторов установлены сменные пластины из износостойкого материала.

5. Роторно-поршневой двигатель по п.2, отличающийся тем, что в горячей секции под сменной пластиной установлены дополнительно теплоизоляционные ленты.

6. Роторно-поршневой двигатель по п.2, отличающийся тем, что камеры сгорания теплоизолированы от корпуса прокладками и закрыты теплоизолирующим колпаком.

7. Роторно-поршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что на концах всех лопаток, соприкасающихся с лентами, по всей их ширине выполнена продольная круглая проточка, на дне которой выполнена канавка для масла, а в проточку вставлен ролик.

8. Регулятор оборотов вала роторно-поршневого двигателя, содержащий вал, подшипники, шарниры, грузы и тяги, отличающийся тем, что регулятор содержит корпус и торцевые крышки, на валу установлены пластины, которые с помощью шарниров и грузов и тяг, расположенных между пластинами, соединены между собой и с системой рычагов, на валу установлена пружина с возможностью сжатия при вращении вала от действия центробежной силы, при этом пружина через указанные пластины и систему рычагов может закрывать или открывать кран топливопровода.

www.findpatent.ru

Роторный двигатель Карфидова

Патент РФ №2189470. Владимир Николаевич Карфидов.

Конструкция подавляющего большинства современных двигателей внутреннего сгорания восходит к двигателям Н. Отто (1862 г.) и Р. Дизеля (1892 г.), где применена именно поршневая машина - простейшее устройство, с помощью которого энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу. Однако цикличность рабочего процесса, связанного с возвратно-поступательным движением поршня, приводит к значительным тепловым и механическим потерям, порождает вибрации, а КПД процесса едва достигает 30-40%, несмотря на значительные усилия конструкторов по совершенствованию поршневых двигателей.

В 1957 году был испытан первый образец роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, конструкцию которого разработал Ф. Ванкель. По сравнению с поршневыми ДВС он имел как преимущества - в два-три раза большую удельную мощность, так и неустранимые недостатки. Сложность профиля цилиндра здесь приводит к тому, что геометрия последнего в результате температурного расширения изменяется, и перестает соответствовать эпитрохоиде - сложной кривой, описываемой трехгранным поршнем. Отсюда - небольшой диапазон рабочих температур, значительные потери на трение и расход масла на угар. В переменных объемах камер, отсекаемых гранями ротора, происходят обычные для поршневых ДВС процессы. Фактически изменена лишь форма поршня и цилиндра и характер их взаимного перемещения. Таким образом, КПД роторно- поршневого двигателя не превышает КПД традиционных бензиновых двигателей.

Роторный двигатель Карфидова базируется на принципиально иной, новой объемной роторной машине, с новым рабочим циклом. Такой объемной роторной машине (ОРМ) присущи сбалансированность всех масс, благоприятные газодинамические эффекты, отсутствие паразитных объёмов, а также небольшая сумма взаимных перемещений трущихся поверхностей в расчете на рабочий цикл. Целый комплекс технических решений, примененных в данном двигателе, позволил уйти от неразрешимых в традиционных поршневых и роторно-поршневых ДВС проблем.

Так, раздельное сжатие объемов топлива и окислителя в роторе компрессора с одновременной их подачей в симметрично расположенные камеры сгорания рабочего ротора позволяет использовать любую необходимую степень сжатия и различные виды топлива, в том числе водород и кислород в качестве окислителя. Применение в данном двигателе газообразного топлива не сопровождается потерями мощности и экономичности.

Разделение функций роторов позволяет организовать поточный процесс, производить заполнение и сжатие в холодном компрессоре, а рабочий ход и выпуск - в горячем рабочем роторе, с меньшими механическими потерями и с большей эффективностью. За счет большего объема рабочего ротора по сравнению с ротором компрессора осуществляется доработка газов до более низких температуры и давления, с незначительным либо отсутствием шума при выпуске.

Симметричное приложение сил и полная динамическая сбалансированность роторов полностью устраняет вибрации, позволяет в несколько раз расширить рабочий диапазон оборотов двигателя.

Динамическая система герметизации позволяет обеспечить полную герметичность всех сопряжений в рабочих объемах двигателя на протяжении всего рабочего ресурса без ее ухудшения.

Технический результат от использования изобретения - КПД, значительно более высокий, чем у существующих дизелей, с удельной мощностью, более высокой, чем у лучших авиационных поршневых двигателей, и с рабочим ресурсом не меньше, чем у лучших ДВС вообще.

Принцип работы

Топливо (показано оранжевым) и воздух (показан синим) раздельно сжимаются в объемах компрессора и одновременно подаются в камеры сгорания рабочего ротора.

На один оборот двигателя приходится четыре рабочих хода (показано красным), по 180 градусов каждый. Отработанные газы (показано серым) удаляются через окна в диске рабочего ротора.

Исходное состояние (ИС) – 00 (3-я секунда видеоролика)

Лопатки рабочего ротора находятся на линиях смыкания конусов и диска, лопатки компрессора не доходят до линий смыкания (ЛС) на 360. В двух симметрично расположенных относительно оси перемычки объемах компрессора заканчивается фаза сжатия топлива и воздуха, клапаны в объемах компрессора открываются давлением, порция топлива и воздуха начинает поступать в камеры сгорания рабочего ротора ; в двух объемах рабочего ротора начинается рабочий ход.

60 от ИС

Лопатки рабочего ротора прошли линии смыкания, лопатки компрессора находятся на ЛС. В двух объемах рабочего ротора продолжается рабочий ход, в двух объемах компрессора завершилось вытеснение топлива и воздуха, завершилась их подача в камеры сгорания. Начинается фаза раздельного заполнения топливом и воздухом двух первых объемов компрессора и фаза сжатия топлива и воздуха в двух других объемах компрессора.

800 от ИС (9-я секунда видеоролика)

Лопатки рабочего ротора находятся на линиях смыкания конусов и диска, лопатки компрессора не доходят до ЛС на 360. Заканчивается фаза сжатия в двух других объемах компрессора; в двух других объемах рабочего ротора начинается рабочий ход. В двух первых объемах рабочего ротора завершился рабочий ход и началась фаза выпуска; картина подобна исходному состоянию.

160 от ИС

Лопатки рабочего ротора прошли линии смыкания, лопатки компрессора находятся на ЛС. В двух других объемах рабочего ротора продолжается рабочий ход, в двух других объемах компрессора завершилось вытеснение топлива и воздуха, завершилась их подача в камеры сгорания. Начинается фаза раздельного заполнения объемов компрессора и фаза сжатия топлива и воздуха в двух первых объемах компрессора.

3600 - 00 Исходное состояние

Сравнительные характеристики

Описание

Изобретение относится к области машиностроения, к двигателе- и компрессоростроению. Известен «Роторный двигатель Карфидова и способ подачи горючих смесей в его камеру сгорания» содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса, с примыкающими к корпусу, к рабочей поверхности сферы и к диску конусами, вершины которых с выполненными в них выемками сопряжены с шаровой опорой, в которой расположены окна в зоне их совмещения с окнами в шаровой камере, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой и со сферой, между которыми установлены две лопатки в поворотных соединениях, жестко связанные с конусами, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, а в шаровых опорах на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер параллельно лопаткам. Патент Р.Ф.№2133840 от 27.07.99.

Недостатком данного технического решения является то, что поворотные соединения имеют трущиеся о лопатки поверхности, после износа которых нарушается герметичность и работа объемов, разделяемых диском в компрессоре, из-за проникновения при сжатии топлива в объем окислителя и наоборот, а также трудность охлаждения и смазки лопаток в рабочем роторе. Все это значительно уменьшает ресурс двигателя.

Известен также «Роторный двигатель», содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых жестко связаны с конусами, сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой, с выполненными в ней окнами в зоне совмещения с окнами в шаровой камере и сферой с примыкающими к е? рабочей поверхности и к шаровой опоре лопатками установленными в диске и в конусах, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, а на внешней поверхности шаровой камеры выполнены канавки параллельно лопаткам с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровой опоре, лопатки в дисках закреплены шарнирно, а в конусах – с возможностью их возвратно-поступательных перемещений.

Недостатком данного технического решения является то, что известными методами обеспечить герметизацию рабочих объемов двигателя очень сложно. С этим связана и проблема подачи компонентов горючей смеси в камеру сгорания. Сама камера сгорания вне рабочего объема ротора также создает проблемы по распределению раскаленных газов по рабочим объемам рабочего ротора. Это решение принято за прототип. Патент №2151312, бюл.17 20.06.2000 г.

Технический результат от использования изобретения является, более высокий КПД, чем у существующих дизелей и может превысить 70%, с удельной мощностью более высокой, чем у лучших авиационных поршневых двигателей и с рабочим ресурсом не меньше, чем у лучших ДВС вообще. Все это в основном за счет динамической системы герметизации рабочих объемов двигателя и его конструкции, позволяющей обеспечить полную герметичность всех сопряжений в рабочих объемах двигателя на протяжении всего рабочего ресурса без ее ухудшения. Что обеспечивает высокую степень раздельного сжатия топлива, (например природного газа в смеси с отработанным) и воздуха в холодных объемах компрессора со значительно меньшими энергозатратами, чем у дизелей, а отсутствие паразитных объемов повышает эффективность вытеснения газа из его объемов. Расположенные в рабочем роторе горячие камеры сгорания, производят полное и высокоскоростное сжигание топлива в присутствии катализатора, с более высокими температурой и давлением , чем у других ДВС, с совершением работы до более низких температуры и давления , за счет большего рабочего объема рабочего ротора по сравнению с компрессором, что способствует бесшумности работы двигателя. За один оборот в рабочем роторе совершается четыре рабочих хода, каждый на 180 градусов с симметричным приложением сил, дающим динамическую сбалансированность. Роторы взаимодействуют с корпусом только через подшипники качения, что наряду с отсутствием эксцентриситетов в двигателе, снижает механические потери и способствует развитию высоких оборотов, в серийном двигателе они могут быть не ниже 15 тыс. об/мин. При минимуме около 200 об/мин. И это при незначительном шуме или его отсутствии. Пропускная способность системы газораспределения также способна обеспечить указанный технический результат, как и система охлаждения и смазки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что роторный двигатель содержащий корпус снабженный двумя роторами, сообщенными между собой гантелеобразной перемычкой, с выполненными на сферических поверхностях перемычки канавками параллельно лопаткам, с установленными в канавках направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровых опорах соосно шарнирам лопаток установленных в дисках, последние установлены с возможностью совместного с конусами вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на дисках шаровыми опорами и сферами, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток, с образованием рабочих объемов. На сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры с внутренней стороны соединенные с трубопроводом с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны установлены гильзы с юбками совпадающими по размеру с параллельными стенками камер, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями, к внутренним поверхностям шаровой опоры, в зоне совмещения ее окон «топлива» и «воздуха» с окнами «топлива» и «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом. Указанный технический результат достигается также тем, что каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно на основаниях роторов, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры для обеспечения радиального перемещения дисков, причем стыки в шаровых опорах и дисках расположены в объемах низкого давления, примыкающих к лопаткам. В диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания, примыкающие к шарнирам лопаток, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью для использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре. Выпускные окна в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающими к лопаткам. В стыках диска в компрессоре, разделяющими объемы «топлива» и «воздуха» установлены уплотнения. На дорожках выполненных на вершинах сфер, установлены ролики, оси которых закреплены на корпусе. В компрессоре в его объемах высокого давления, расположенные в конусах примыкающими к лопаткам между шаровой опорой и сферой выполнены выпускные клапаны, сообщенные трубопроводами с напорными камерами и с окнами в напорных площадках. Объем перемычки выполнен с возможностью циркуляции агентов смазки и охлаждения. Шарнирное соединение одной из половин диска  лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью, выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ с поверхностью сопряжения с торцом диска по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы на угол равный отклонению диска относительно лопатки. Основания роторов, с подвижно закрепленными на них конусами, содержат торцевые площадки с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами, выполненные в конусах – с другой. Сферы роторов выполнены нагруженными лопатками, конусами, шаровыми опорами и через последние дисками. Вращающее соединение торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами и крышки, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми.

Заявленный роторный двигатель отличается от прототипа тем, что на сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны установлены гильзы с юбками совпадающими по размеру с параллельными стенками напорных камер, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями, к внутренним поверхностям шаровой опоры, в зоне совмещения ее окон «топлива» и «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом. Каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно на основаниях роторов, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры для обеспечения радиального перемещения дисков, причем стыки в шаровых опорах и дисках расположены в объемах низкого давления, примыкающих к лопаткам. В диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания, примыкающие к шарнирам лопаток, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью для использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре. Выпускные окна в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающими к лопаткам. В стыках диска в компрессоре, разделяющими объ?мы "топлива" и "воздуха" установлены уплотнения. На дорожках выполненных на вершинах сфер, установлены ролики, оси которых закреплены на корпусе. В компрессоре в его объемах высокого давления расположенные в конусах, примыкающими к лопаткам между шаровой опорой и сферой выполнены выпускные клапаны, сообщенные трубопроводами с напорными камерами и с окнами в напорных площадках. Объем перемычки выполнен с возможностью циркуляции агентов смазки и охлаждения. Шарнирное соединение одной из половин диска с лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью, выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ с поверхностью сопряжения с торцом диска по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы на угол равный отклонению диска относительно лопатки. Основания роторов, с подвижно закрепленными на них конусами, содержат торцевые площадки с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами, выполненные в конусах – с другой. Сферы роторов выполнены нагруженными лопатками, конусами, шаровыми опорами и через последние дисками. Содержит вращающее соединение торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами и крышки, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми.

Роторный двигатель содержащий корпус, снабженный двумя роторами, сообщенные между собой гантелеобразной перемычкой, позволяет использовать один ротор в качестве компрессора (заполнение и сжатие), а другой ротор – в качестве рабочего ротора (рабочий ход и выпуск). Такое разделение функций роторов позволяет с меньшими механическими потерями и с большей эффективностью обеспечивать заполнение и раздельное сжатие топлива и воздуха в холодном компрессоре, а рабочий ход и выпуск – в горячем рабочем роторе, совместить концы тактов сжатия в объемах топлива и воздуха в компрессоре с началом рабочего хода в рабочем роторе, с большим рабочим объемом, чем в компрессоре, совершать работу до более низкого давления и температуры газа, с незначительным или отсутствием шума при выпуске. С выполненными на сферических поверхностях перемычки канавками, параллельно лопаткам, с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровых опорах соосно шарнирам лопаток установленных в дисках, позволяет давлению газа, действующему на лопатки и диски передавать образуемый крутящий момент на канавки – жестко связанные с роторами, через оси направляющих элементов и наоборот, а шарнирным соединениям лопаток с дисками герметично изолировать разделяемые дисками объемы топлива и воздуха в компрессоре и рабочие ходы от выпусков в рабочем роторе. Диски установлены с возможностью совместного с конусами вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на них шаровыми опорами и сферами, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток с образованием рабочих объемов, позволят посредством диагонально установленных дисков в роторах обеспечить герметичное совмещение поверхностей дисков и конусов по линиям их смыкания, герметично совместить внешние и внутренние окружности конусов и лопаток с рабочими поверхностями сфер и шаровых опор, образовать герметично разделенные диском объемы для топлива и воздуха. На сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом, с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны с юбками совпадающими по размеру с параллельными стенками камер, установлены гильзы, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями, нагруженных гильзами к внутренним поверхностям шаровой опоры, позволяет прижать половины шаровых опор к внутренним окружностям конусов и лопаток, которые сместившись к поверхностям сфер герметизируют объемы роторов, за счет давления в напорных камерах действующего на гильзы, юбки которых плотно прилегают к стенкам напорных камер и не допускают утечек воздуха, который заперт клапаном. Что позволяет на любых оборотах поддерживать герметизацию роторов. Система смазки и охлаждения позволяет уменьшить потери на трение в сопряженных притертых сферических поверхностях напорных площадок причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом позволяет обеспечить раздельную подачу топлива и воздуха в камеры сгорания при высоком давлении, за счет превышения площади сечения гильз над площадью в окнах в шаровой опоре и в напорных площадках, тем более, что давление в камерах фиксируется клапанами максимальным, поэтому ни при каких обстоятельствах окна в сопряжении отражать распределительную площадку не могут. Каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно на основаниях роторов, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры для обеспечения радиального перемещения дисков, позволяет использовать центробежную силу для герметизации рабочих объемов двигателя и отказаться от использования уплотнений в рабочих объемах высокого давления, что соответственно улучшает работу компрессора, снижает тепловые потери в рабочем роторе и позволяет поддерживать достаточно высокую герметичность рабочих объемов в течение всего рабочего ресурса двигателя. Стыки в шаровых опорах и дисках расположены в объемах низкого давления, примыкающие к лопаткам, позволяет за счет шарнирного крепления лопатки только на одном конце диска со стороны высокого давления, образовать стыки в объемах низкого давления, без которых невозможна герметизация объемов высокого давления, потому что нужен стык для температурной компенсации. С обеих сторон в диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания, примыкающие к шарнирам лопаток, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре, позволяет снять проблему сообщения камеры сгорания (в аналоге)с объемами рабочего ротора, существенно повысить эффективность работы двигателя, за счет использования разных видов топлива в смеси с отработанным газом двигателя, в том числе природного газа, а также очень бедных смесей, которые могут гореть только в дожигателях поршневых двигателей, т.к. имеют более высокие начальные температуру и давление в присутствии катализатора в четырех камерах сгорания рабочего ротора. Чему способствует губка карбида кремния с содержанием в ней, например, палладия, с открытыми порами не более 3 мм., т.к. чем меньше размер пор, тем больше площадь каталитической поверхности, потому величина пор определяется только их сопротивлением принудительной продувке. Выпускные окна в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающие к лопаткам позволяет упростить конструкцию двигателя и снизить требования к площади сечения выпускных окон, из-за принудительного удаления отработанного газа центробежной силой, что соответствует примерно турбонаддуву – только наоборот и с другого конца, но эффект тот же. В стыках диска и лопаток в компрессоре между впускными окнами «топлива» и впускными окнами «воздуха» установлены уплотнения, позволяет предотвратить смешение топлива и воздуха при впуске в объемы компрессора, за счет упругих уплотнений выполняющих роль перегородок разделяющих объемы топлива и воздуха, где давление от атмосферного и чуть ниже, которые прижаты к лопаткам с противоположной стороны от их шарниров. На дорожках расположенных на вершинах сфер установлены ролики, оси которых закреплены на корпусе позволяет упростить конструкцию двигателя, что дает возможность регулировать фазы газораспределения, производить замену подшипников, разбирать и собирать двигатель при ремонте. В объемах сжатия в компрессоре, расположенные в конусах, примыкающие к лопаткам между шаровой опорой и сферой, выполнены выпускные клапаны «топлива» и «воздуха», сообщенные трубопроводами с напорными камерами и напорными площадками, позволяет обеспечить полное вытеснение газа из объемов компрессора при любом необходимом давлении, какое может обеспечить прочность конструкции компрессора, за счет отсутствия в нем паразитных объемов способных повлиять на эффективность вытеснения газов из его объемов. Что позволяет производить давление выше того, что развивается в камерах сгорания рабочего ротора в начале рабочего хода. Объем перемычки выполнен с возможностью циркуляции в двигателе агентов смазки и охлаждения, позволяет из-за высокого давления в трубопроводах (сечение их невелико), использовать объем перемычки для циркуляции агентов смазки и охлаждения, через каналы и шарниры в дисках за счет центробежной силы, в корпус двигателя в качестве теплообменника-радиатора и опять в перемычку, при этом обслужить все трущиеся и греющиеся поверхности, все внешние и внутренние поверхности сфер шаровых опор и лопаток. Концы последних также создают вихревой поток газо-капельной смеси для охлаждения и смазки. Шарнирное соединение одной из половин диска с лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью, выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ с поверхностью сопряжения с торцом диска по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы на угол равный отклонению диска относительно лопатки, позволяет более прочно и герметично , с возможностью охлаждения и смазки шарнира закрепить лопатку используя только один конец диска, так как другой необходим для стыка, а также полностью устранить паразитные объемы в шарнирах, что позволяет компрессору производить необходимое высокое давление газов для высокоэффективной работы двигателя. Основание роторов, с подвижно закрепленными на них конусами, содержат торцевые площадки с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами, выполненные в конусах – с другой. позволяет, давление газа действующего на лопатки роторов нагрузить, как через канавки направляющих элементов – через их оси, так и непосредственно на основы роторов через их торцевые площадки, на которые также с противоположной стороны от лопаток, действует давление гильз напорных камер, дающих возможность подвижно закрепленные конуса на основаниях роторов держать постоянно прижатыми к лопаткам с другой стороны торцевых площадок, где уплотнений нет – в объемах высокого давления. Сферы роторов выполненные нагруженными лопатками, конусами, напорными камерами компрессора и рабочего ротора, шаровыми опорами и через последние дисками, позволяет, обеспечить динамическую герметизацию рабочих объемов в роторах двигателя, за счет действия напорных камер и центробежной силы. Вращающееся соединение торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами «воздуха», «топлива», «масла» и крышки, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми позволяет, производить раздельную подачу топлива, воздуха и масла в рабочие объемы двигателя и в его систему смазки и охлаждения, с пропускной способностью до 30 тыс. об/мин., с герметичным совмещением концентрических стыков между компонентами, на весь рабочий ресурс двигателя за счет незначительной величины трения и упругого прижима крышки по мере износа ее трущихся поверхностей, а также значительно уменьшить объем выпуска отработанных газов и их токсичность в атмосферу за счет направления их на разбавление топлива и воздуха, и тем самым, устанавливать нужные соотношения топлива и кислорода, исключая появление окислов азота даже при более высокой температуре в камерах сгорания, чем у других ДВС.

Продольный разрез

Продольный разрез шарнира лопатки и диска рабочего ротора

Поперечный разрез рабочего ротора

Продольный разрез распределительной площадки

Поперечный разрез компрессора в объеме топлива

Поперечный разрез выпускного клапана компрессора

Поперечный разрез компрессора в объеме воздуха

Поперечный разрез шарнира лопатки и диска компрессора

Вид со стороны подвода трубки к напорной камере в конусе

Разрез напорной камеры в конусе

Двигатель содержащий корпус 1, снабженный двумя роторами компрессора 2 и рабочего ротора 3, сообщенными между собой гантелеобразной перемычкой 4, с выполненными на сферических поверхностях 5 перемычки канавками 6 параллельно лопаткам 7,8 – в компрессоре и 9,10 – в рабочем роторе , с установленными в них направляющими элементами 11, оси 12 которых выполнены в шаровых опорах 13 соосно шарнирам 14 лопаток установленных в дисках 15, последние установлены с возможностью совместного с конусами 16 вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на них шаровыми опорами и сферами 17, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток, с образованием рабочих объемов 18, 19 сжатия топлива и 20,21 сжатия воздуха в компрессоре 2, а также объемов 22, 23, 24 и 25 расширения в рабочем роторе 3. На сферической поверхности 5 перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры 26, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом 27, с установленным в нем клапаном 28, а с внешней стороны, с юбками 29 совпадающими по размеру с параллельными стенками напорных камер, установлены гильзы 30, внешними торцами закрепленные на напорных площадках 31, примыкающие внешними сферическими поверхностями 32, нагруженных гильзами к внутренним поверхностям шаровой опоры, в зоне совмещения ее окон 33, 34, 35, 36 «топлива» и окон 37, 38, 39, 40 «воздуха» с окнами 41 «топлива» и окон 42 «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом 43 «топлива» и 44 «воздуха». Каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно винтами 45 на основаниях 46 роторов 2 и 3, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры 47 для обеспечения радиального перемещения дисков, причем стыки 48 в шаровых опорах и дисках расположены в объемах 49 низкого давления, примыкающие к лопаткам. С обеих сторон в диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания 50,51,52 и 53, примыкающие к шарнирам лопаток 9 и 10, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре. Выпускные окна 54 в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающие к лопаткам и сообщенные с выпускным коллектором 55. В стыках диска и лопаток в компрессоре между впускными окнами 56 и 57 «топлива» и впускными окнами 58 и 59 «воздуха» установлены уплотнения 60. На дорожках 61 выполненных на вершинах сфер, установлены ролики 62, оси 63 которых закреплены на корпусе 1. В объемах сжатия 18,19,20,21 в компрессоре, расположенные в конусах 16, примыкающие к лопаткам 7 и 8 между шаровой опорой и сферой, выполнены выпускные клапаны 64 «топлива» и 65 «воздуха», сообщенные трубопроводами 43 и 44 с напорными камерами и напорными площадками. Объем перемычки 66 выполнен с возможностью циркуляции в двигателе агентов смазки и охлаждения. Шарнирное соединение одной из половин диска с лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью 67 , выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ 68 с поверхностью сопряжения с торцом диска 15 по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами 69, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы 70 на угол равный отклонению диска относительно лопатки. Основания 46 роторов 2 и 3, с подвижно закрепленными на них конусами винтами 45 в зазорах 71, содержат торцевые площадки 72 с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами 73, выполненные в конусах – с другой. Сферы роторов выполненные нагруженными лопатками, конусами, напорными камерами компрессора и рабочего ротора, шаровыми опорами и через последние дисками. Вращающееся соединение 74 торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами 75 «воздуха», 76 «топлива», 77 «масла» и крышки 78, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми. Диски с конусами сопряжены по линиям смыкания 79. В дисках выполнены радиальные каналы 80 для смазки и охлаждения двигателя. Впускные окна в компрессоре сообщены с каналами в перемычке впускным коллектором 81.

Роторный двигатель работает следующим образом. При запуске двигателя, первый оборот ротора компрессора 2 приходится на заполнение по трубопроводам 42 напорных камер 26 в рабочем роторе 3 и в компрессоре 2, а также напорных камер 73 в конусах 16, для создания необходимой герметичности рабочих объемов двигателя. При этом находящийся воздух в топливных объемах 18 и 19 компрессора и трубопроводах 43 вытесняется в камеры сгорания 50, 51, 52 и 53 рабочего ротора. При этом топливные объемы 18 и 19 заполняются топливом при некотором разрежении, т.к. отработанных газов на их разбавление пока нет. Далее лопатки 7 и 8 компрессора, выпускное окно 56 «топлива» и впускное окно 59 «воздуха» проходя линии смыкани 79 образуют объемы 49 низкого давления и разрежение в них, которое заполняет эти объемы топливом и воздухом по мере удаления лопаток 7 и 8 от линий смыкания на 270 градусов, затем при медленном вращении еще на 90 градусов заполненные объемы уменьшаются, а воздух и топливо вытесняются обратно через впускные окна 56 и 59 во впускной коллектор 81 до момента прохода этими окнами линий смыкания, после чего образуются объемы сжатия 18 «топлива» и 21 «воздуха» и в них запирается половина рабочего объема компрессора. Но при быстром вращении происходит эффект турбонаддува, т.к. инерционность «воздуха» и «топлива» не позволяет мгновенно изменить направление движения на противоположное и покинуть занятые объемы через впускные окна.

После запирания объемов 18 и 21 начинается их сжатие лопатками 7, 8 и диском 15, при этом выпускные клапаны 61 в объеме 18, выпускные клапаны 64 в объеме 21 открываются давлением и повышают давление в трубопроводах 43 «топлива» и 44 «воздуха». По достижении необходимой степени сжатия окна 39 «воздуха» и 35 «топлива» в шаровой опоре 13, обслуживающие камеру сгорания 52 и окна 38 «воздуха» и 34 «топлива», обслуживающие камеру сгорания 51, совмещаются с окнами 41 «топлива» и 42 «воздуха» в напорных площадках 31. При этом лопатки 9 и 10 и камеры сгорания 51 и 52 прошли линии смыкания 79 и образовали рабочие объемы 23 и 24 расширения, с воспламенением компонентов горючей смеси в камерах сгорания 51 и 52 при их смешивании от сжатия. Далее - при нагреве камер сгорания и катализаторов ни вид топлива, ни степень сжатия не будут иметь значения для воспламенения. В то время, как в рабочих объемах 23 и 24 завершился рабочий ход с поворотом роторов 2 и 3 на 180 градусов, в объемах 19 «топлива» и 20 «воздуха» в компрессоре завершилось сжатие, окна 33 «топлива» и 37 «воздуха», обслуживающие камеру сгорания 50 и окна 36 «топлива» и 40 «воздуха», обслуживающие камеру сгорания 53 совместились с окнами 41 «топлива» и 42 «воздуха» в напорных площадках 31. Одновременно с началом нового рабочего хода во вновь образованных рабочих объемах 22 и 25 рабочего ротора производится выпуск из объемов 49 низкого давления полностью прореагировавших между собой топлива и кислорода в присутствии катализатора газов, расширившихся , совершая работу, на больший объем, чем объем их сжатия в компрессоре, с принудительным удалением центробежной силой – с эффектом турбоотдува, в окна 54, в диске 15 рабочего ротора и в выпускной коллектор 55 в корпусе. Далее все повторяется.

Охлаждение и смазка двигателя осуществляется за счет радиальных каналов 80 в дисках, по которым поступает смазка и охлаждение к шарнирам 14, а также к направляющим элементам 11, за счет центробежной силы, затем поступает в корпус, где за счет вихревых потоков от торцов лопаток 7, 8 ,9 и 10 выступающих из конусов 16 и от вращения самих роторов образуется газо-капельно-масляная смесь, которая проникает во все трущиеся и греющиеся сопряжения и поверхности, при этом корпус служит теплообменником-радиатором, с выполненными ребрами нагрева внутри корпуса и с ребрами охлаждения – снаружи.

http://googlist.ru

infuture.ru