ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: 5-ТАКТНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ ЗАПОРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, РАЗДЕЛЬНЫМИ СЕКЦИЯМИ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА И ОБОСОБЛЕННЫМИ КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ НЕИЗМЕННОГО ОБЪЕМА
INTERNAL COMBUSTION ENGINE: FIVE-STROKE ROTARY ENGINE WITH ROTARY GATES, SEPARATE WORKING MEDIUM COMPRESSION AND EXPANSION SECTIONS, AND ISOLATED INVARIABLE-VOLUME COMBUSTION CHAMBERS

Область техники: Изобретение относится к области двигателестроения, его возможно применять везде, где используются двигатели внутреннего сгорания.
Уровень техники: В настоящее время наиболее широко в качестве стационарных энергоустановок и силовых приводов транспортных средств используются поршневые, заметно реже роторные (системы Ванкеля) двигатели внутреннего сгорания (ДВС) или газовые турбины (ГТ). Классические поршневые ДВС двухтактного и четырехтактного цикла известны с 60-х и 70-х годов XIX века (С.Балдин, «Двигатели внутреннего горения», Прага, Имка-пресс, 1923 г.). Подвижный цилиндрический поршень совершает линейные возвратно-поступательные движения внутри неподвижного цилиндра. Поршень соединен шатуном с коленчатым валом. При горении предварительно сжатой смеси паров топлива и воздуха в герметично замкнутом пространстве между поршнем и цилиндром за счет повышения давления горячих газов осуществляется одновременное с процессом горения линейное рабочее движение поршня, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное движение коленвала и возвратно-поступательное движение самого поршня. Рабочий цикл, например, 4-тактных двигателей состоит из последовательных технологических этапов - тактов: всасывание (впуск) рабочей смеси, сжатие рабочей смеси, воспламенение рабочей смеси - собственно рабочий ход, выпуск отработанных газов. Каждый пошаговый такт реализуется за одно движение вверх или вниз поршня в цилиндре и занимает половину оборота коленчатого вала двигателя. Т.е. из 4 тактов за 2 оборота коленчатого вала рабочим - что совершает работу и развивает полезную мощность оказывается лишь один - рабочий ход. Он развивается на протяжении 0,5 оборота вала из 2-х оборотов полного рабочего цикла, т.е. рабочий ход составляет 0.25 часть от каждого оборота вала.
С 1791 года известен принцип газовой турбины (Г.Гюльднер. Газовые, нефтяные и прочие двигатели внутреннего сгорания. - М.: Типолитография товарищества Кушнерев и Компания, 1907 г.). В такой схеме тепловой машины рабочие газы горящего топлива, вырывающиеся из камеры сгорания через сопло, попадают на лопатки колеса турбины и приводят ее в движение.
Также с 17-го века известны роторные двигатели с уплотнительными лопатками (роторно-лопастные), современный вариант схемы подобной машины в 1911 году разработал А.Цоллер как «роторный компрессор», (Ротационные пневматические двигатели. С.Б.Зеленецкий, Е.Д.Рябков, А.Г.Микеров, Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1976 г). В круглой или овальной камере корпуса расположен ротор, ось вращения которого смещена относительно центра цилиндрической поверхности корпуса. В теле ротора размещены подвижные лопасти, которые могут по радиальным направлениям выдвигаться и упираться краями в стенки корпуса. Разница высоты выдвижения соседних лопастей приводит к разнице их площади, поэтому при подаче внутрь пространства между соседними лопастями давления возникает движущая сила в сторону лопатки с большей площадью, которая и вращает ротор. Однако из-за принципиальных недостатков этой конструкции на базе данного технологического принципа до сих пор так и не создано качественно работающего ДВС, хотя пневматические моторы, реализующие этот принцип, работают давно и успешно.
Известны конструкции роторных двигателей с планетарным движением рабочего элемента, из которых наиболее известен роторный двигатель Ф.Ванкеля и В.Фреде, созданный в 1957 году (Г.С.Маджуга, В.Х.Подойница. Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Знание, 1964 г.). Треугольный ротор обкатывается вокруг зубчатого колеса закрепленного на боковой крышке двигателя, сцепляясь с ним внутризубчатым венцом, при этом вершины угла ротора скользят по эпитрахоиде - внутренней поверхности рабочей камеры двигателя, которая имеет форму двух сопряженных цилиндров. При вращении ротора между стенками корпуса и гранями ротора происходит последовательное изменение объемов, т.е. происходят последовательно процессы сжатия - расширения четырехтактного двигателя.
Поршневые двигатели при относительно высоком КПД и хорошем моторесурсе имеют сложную конструкцию из-за наличия кривошипно-шатунного механизма с большим количеством знакопеременных инерционных нагрузок и возвратно-поступательных движений, сложный газораспределительный механизм с его приводом, невысокую удельную мощность и ограничения по наращиванию количества оборотов и силы крутящего момента.
Недостатками роторных двигателей с уплотнительными лопатками (роторно-лопастных двигателей) являются невысокая мощность за счет нерационального использования площади рабочих пластин-лопастей и сложности герметизировать линии контакта лопастей и корпуса, большая поверхность трения многочисленных и непрерывно движущихся в теле ротора лопастей, что ведет к дополнительным потерям мощности и ускоренному износу деталей.
Недостатками турбин при их высокой мощности являются низкая экономичность и малая приемистость, высокие требования к жаропрочности материалов, как и невозможность создать турбину малых массо-габаритных параметров с хорошими тактико-техническими характеристиками.
Роторные двигатели Ванкеля и Фреде обладают высокой удельной мощностью при относительно простой конструкции, но имеют высокий уровень температуры и токсичности выхлопных газов, как и большую теплонапряженность и скорость износа основных деталей, обладают высоким расходом топлива и не обладают преимуществом по величине крутящего момента перед поршневыми моторами, а также имеют сложные в изготовлении главные детали.
Ближайшим аналогом заявляемого автором изобретения «ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: 5-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными секциями сжатия и расширения рабочего тела и обособленными камерами сгорания неизменного объема», является конструкция «РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ», патент на изобретение РФ №2330972, который оказывается попыткой сконструировать роторный двигатель внутреннего сгорания с простым вращением рабочих элементов и раздельными секциями сжатия и расширения рабочего тела. Конструкция изобретения - ближайшего аналога - базируется на известной схеме двигателя Трахселя (Trachsel) (см. Е.И.Акатов, В.С.Болотов и др. Судовые роторные двигатели. Ленинград: Судостроение, 1967 г., стр.34). Роторный двигатель - ближайший аналог заявляемого изобретения - содержит в корпусе два функциональных блока, каждый в своей камере, где вращается ротор с лопастью и запорный барабан. Это секция сжатия рабочей смеси (компрессор) и секция сгорания - расширения (силовая машина). Каждый блок работает за счет изменения объема сжатия или расширения, образующихся при вращении в соседних камерах двух роторов одинаковых диаметров. В каждом блоке имеется по одному ротору с одной поршневой лопастью по одному запорному барабану, в котором устроен пропускающий лопатку ротора проем. Лопасти и роторы вращаются навстречу друг другу.
Совпадающими существенными признаками между заявляемым изобретением и рассматриваемым ближайшим аналогом является разделение корпуса на разные технологические полости, где раздельно происходят процессы сжатия и расширения рабочего тела. Также совпадающими признаками являются основные рабочие элементы двигателей - вращающиеся роторы, выполненные в виде дискообразных элементов с поршневыми лопастями, один из которых сжимает свежий заряд рабочей смеси, а другой преобразует давление рабочих газов горения в механическое вращательное движение, как и работа в паре с каждым ротором запорного барабана с полостью для пропуска вращающейся лопасти.
Причинами, препятствующими в рассматриваемом аналоге достижению высокого технического результата, являются следующие конструктивные просчеты:
- в указанной конструкции предлагается поджигать сжатую рабочую смесь в секции расширения от калильной свечи. То есть поджигание будет происходить как только свечи зажигания будет касаться первая волна сжатого заряда, когда еще не закончен такт впуска сжатого заряда в камеру «сгорания - расширения» силовой машины. Т.е. в тот момент, когда впуск еще не закончен и канал соединения (передаточная камера) секции сжатия компрессора и сектора «сгорания - расширения» силовой машины будет еще открыт. В этом случае начавшие расширяться горящие газы высокого давления могут «продавить» сквозь канал соединения (передаточную камеру) между секциями в сектор сжатия и остановить там этот процесс. Что приведет к полной остановке двигателя или к его слабой работе;
- в указанной конструкции явно не моделировался кинематический процесс согласованного вращения двух роторов и двух запорных барабанов (клапанов) в САПРах (системах автоматического проектирования). Поэтому изображение взаиморасположения лопастей роторов и проемов запорных барабанов (клапанов) на чертеже патента имеет явно не возможное в реально работоспособном изделии расположение и размеры. При таких высоких овалах лопастей роторов проемы запорных барабанов не смогут пропустить сквозь свои полости эти лопасти. Если же увеличить дуги проемов запорных барабанов, то эти проемы, которые служат окнами клапанов перепуска газов из сектора сжатия в сектор расширения, будут работать так, что двигатель не может действовать. Т.е. проем в запорном барабане секции сжатия будет размыкать линию контакта с цилиндрической поверхностью этого ротора на другой стороне от его лопасти раньше, чем произойдет открытие окна в секторе расширения. При этом все давление сжатой рабочей смеси будет «перебрасываться» в начало секции сжатия, а не в соседнюю секцию расширения силовой машины;
- в указанной конструкции предлагается впрыскивать сжатую смесь в секцию расширения силовой машины в момент непрерывного и скоростного увеличения ее объема. Это приведет к тому, что рабочая смесь из-за мгновенной потери давления и степени сжатия в быстро расширяющемся объеме будет трудно поджигаться и плохо - не полностью - сгорать, ибо даже первоначальный этап горения должен будет происходить на линии мощного расширения объема камеры «сгорания - расширения». В обычных поршневых двигателях для борьбы с трудностями поджига и горения сжатой рабочей смеси на такте «расширения - рабочего хода» применяют «ранее зажигание» - когда смесь поджигается искрой еще на завершающей линии сжатия, до достижения в такте сжатия Верхней Мертвой Точки. В конструкции ближайшего аналога такой возможности «раннего зажигания» не представляется возможным по чисто конструктивной компоновке и динамической схеме работы мотора, поэтому и указанный недостаток может оказаться совершенно непреодолимым на пути создания реально работающего мотора по этой схеме;
- в указанной конструкции диаметр запорного барабана (клапана) оказывается равным диаметру диска ротора, что приводит к большому размеру и громоздкости конструкции, при этом запорный барабан большого размера будет иметь большую поверхность трения в своем гнезде, особенно в секции «расширения - сгорания» силовой машины, где горящие газы будут непосредственно нагревать поверхность запорного барабана и эта деталь вращения при нагреве будет грозить возможностью заклинить в гнезде от термического расширения.
Сущность изобретения: Задачей изобретения, которая реализована в этой конструкции, является создание компактного высокоэффективного двигателя внутреннего сгорания с КПД более 50%, в котором соединены следующие образцы высоких технических достижений, каждый из которых самостоятельно уже является значительной технической задачей:
- совмещены в одном непрерывном вращательном движении главного конструктивного элемента двигателя - ротора с несколькими рабочими лопастями и согласованном с ним непрерывного вращательного движения вспомогательных элементов - одновременно многие вспомогательные и рабочие такты за один оборот рабочего вала;
- технологические процессы (такты): такт «всасывание рабочей смеси - сжатие рабочей смеси», такт «горение рабочей смеси» (создание рабочего тела высокого давления) и такт «расширение рабочего тела (рабочих ход) - выпуск отработавших газов» разделены в пространстве в разных технологических объемах, но совмещены по времени и осуществляются в разных технологических и конструктивных полостях двигателя одновременно и параллельно по времени;
- при вращении рабочих элементов двигателя создаются несколько герметично замкнутых камер сжатия рабочей смеси и расширения рабочих газов, поступательно и непрерывно увеличивающих свой объем, за счет чего осуществляется рабочий ход значительной длины, который использует до конца всю мощность избыточного давления рабочих газов и тем самым повышает термодинамический КПД рабочего такта, открывая выпускное окно для выхлопа рабочих газов в момент, когда они имеют уже минимальное остаточное давление и минимальную избыточную температуру. Этим путем реализуется высокий термодинамический КПД двигателя, бесшумность и чистота выхлопа;
- впервые реализована возможность полноценного сгорания сильно сжатой рабочей смеси в отдельной от сектора расширения запираемой камере сгорания, которая запирается для процесса сгорания на значительный срок, что позволяет рабочей топливной смеси сгорать полностью при нарастающей температуре и давлении (изохорный процесс). Камера сгорания закрыта для горения в этом режиме рабочей смеси примерно 120 градусов по пути вращения главного вала при исполнении двигателя с двумя запорными барабанами;
- появляется возможность использовать оптимальные формы нескольких камер сгорания неизменного объема, в которых нет движущихся частей - вплоть до сферической (для уменьшения теплопотерь) и из любых термостойких материалов (например, керамики);
- реализована возможность сделать ход расширения рабочего тела (рабочий ход) примерно на 30% длиннее длинных хода сжатия;
- отсутствуют возвратно-поступательные движения и знакопеременные нагрузки в кинематической схеме, передача мощности от рабочего тела на главный вал происходит только за счет вращательных движений, осуществляемых поступательно и непрерывно;
- развивается высокий крутящий момент с постоянным плечом силы на протяжении всего рабочего цикла двигателя, мало зависящий от оборотов мотора;
- появляется возможность количественного управления оборотами двигателя (стандартное управление дроссельной заслонкой карбюратора) при обеспечении высокого коэффициента избытка воздуха (как в двигателе с воспламенением от сжатия - дизеле);
- за счет вышеописанных особенностей появляется возможность построить простой, но высокоэффективный двигатель с предварительным смесеобразованием в простом карбюраторе, без применения сложных и дорогих дополнительных устройств современного смесеобразования - форсунок впрыска топлива, бензонасосов высокого давления и устройств принудительного надува воздуха в цилиндры;
- достигнута высокая простота конструкции и значительная минимизация кинематической схемы двигателя, что является залогом прочной надежности и возможной невысокой цены при высоких технико-экономических показателях и привлекательных потребительских свойствах;
Поставленная задача изобретения решается через конструктивные особенности предлагаемого устройства: 5-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными секциями сжатия и расширения рабочего тела и обособленными камерами сгорания неизменного объема содержит неподвижный полый цилиндрический корпус с камерами сгорания, цилиндрический ротор с рабочими лопастями и главным валом, запорные барабаны по числу рабочих лопастей ротора, секции с роторами сжатия, вращающиеся золотниковые клапаны газораспределения и редуктор привода в движение запорных барабанов.
Особенность изобретения - схема взаимного расположения главной рабочей секции (секции расширения) с ее рабочим ротором и секций сжатия с их роторами и расположенными между ними камерами сгорания, а также гнезд расположения вращающихся запорных барабанов, а также места расположения золотниковых клапанов газораспределения, впускных и выпускных окон, позволяющих согласованно и одновременно производить во всех рабочих секциях несколько тактов «впуска», «сжатия», «горения», «расширения» и «выпуска». Все эти конструктивные элементы в едином объемно-компоновочном комплексе создают взаимно согласованные по рабочим тактам и периодически размыкаемые - замыкаемые, герметичные и одновременно уменьшающие или увеличивающие свой объем камеры «впуска - сжатия» и «расширения - выпуска», в нужные моменты соединяемые с камерами сгорания. Впервые реализована конструкция, позволяющая раздельно по местам осуществления, но одномоментно по времени реализовывать несколько параллельно осуществляемых последовательностей из 5 тактов полного рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания со сжатием.
Техническим результатом применения таких инженерных решений является значительное упрощение кинематики и конструкции двигателя внутреннего сгорания, получение значительной величины частоты оборотов рабочего вала, как и высокого и стабильного во время всех тактов рабочего цикла крутящего момента, улучшение приемистости и повышение мощности двигателя, значительное повышение экономичности и экологической чистоты, превышение двигателем значения КПД в 50%. Данное решение также позволяет создать ДВС, не имеющий в своей конструкции ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и испытывала инерционные знакопеременные нагрузки.
Таким образом двигатель внутреннего сгорания: 5-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными секциями сжатия и расширения рабочего тела и обособленными камерами сгорания неизменного объема, содержащий имеющий возможность вращаться цилиндрический ротор, оснащенный лопастями, который размещен в полом корпусе, оснащенном окнами для газообмена, имеющий по окружности внутренней поверхности корпуса симметрично размещенные цилиндрические полые гнезда, числом, равным числу лопастей ротора, где установлены могущие вращаться запорные барабаны, в котором объемное взаиморасположение наружной цилиндрической поверхности ротора и кольцевой внутренней поверхности корпуса, а также поверхностей лопастей ротора и запорных барабанов, образует рабочие камеры - сегменты «расширения» и сегменты «выпуска», могущие изменять свой объем, и имеющий через шестеренчатые передачи привод от главного вала на валы других вращающихся технологических элементов, отличается тем, что в корпусе двигателя устроены отдельные секции сжатия с размещенными в них имеющими возможность вращаться лопастными роторами, и число этих секций сжатия равно числу лопастей главного рабочего ротора и числу запорных барабанов; как и на корпусе двигателя устроены полые камеры сгорания неизменного объема, числом, в два раза превышающим число запорных барабанов, при этом объемы секций сжатия, камер сгорания и объемы дуговых секторов главной роторной секции двигателя взаимно расположены так, что имеют возможность сообщаться между собой через предельно короткие газоходы с окнами перепуска, которые имеют возможность периодически отпираться и запираться, за счет действия имеющих возможность вращаться цилиндрических золотниковых клапанов в режиме, который обеспечивает последовательное осуществление полного цикла технологических тактов двигателя внутреннего сгорания; при этом взаимное размещение окон перепуска рабочих агентов, режим их «отпирания-запирания» имеющими возможность вращаться цилиндрическими золотниковыми клапанами, как и взаимосвязанное соответствие угловых положений имеющих возможность вращаться лопастей главного рабочего ротора, лопастей роторов секций сжатия и проемов запорных барабанов, как и настройка моментов искры свечей зажигания, устроены так, чтобы поджигание и полное сгорание сжатой рабочей смеси в камерах сгорания имели возможность происходить в запертом и неизменном объеме этих камер при всех закрытых окнах перепуска рабочего тела, а режим работы каждой группы из двух камер сгорания для каждого сектора расширения главной роторной секции настроен так, что из двух соседних камер, имеющих возможность выбрасывать рабочие газы в один и тот же сегмент расширения главной роторной секции, каждый очередной такт «расширения» имеет возможность выбрасывать газы в сектор расширения только одна из них, и такой режим последовательного чередования между собой камер сгорания в тактах соединения с сегментом расширения главной роторной секции может осуществляться в поступательной последовательности.
Главный рабочий ротор и каждый из роторов секций сжатия имеют общие запорные барабаны; при этом роторы и запорные барабаны, плотно соприкасающиеся между собой цилиндрическими боковыми поверхностями, имеют возможность вращаться согласовано с такими угловыми скоростями, что их цилиндрические поверхности вращаются в противоположных направлениях с одинаковой линейной скоростью, то есть контактируют поверхностями в режиме обкатывания без проскальзывания и трения относительно друг друга, при этом запорные барабаны по диаметру имеют размер по отношению к диаметру цилиндрической поверхности главного ротора - во столько раз меньший, во сколько раз количество пропускных проемов в барабане меньше количества лопастей на главном роторе (к примеру: в 2 или в 3 раза), а размер диаметра цилиндрической части роторов секций сжатия равен диаметру запорных барабанов и число лопастей роторов секций сжатия равно числу пропускных проемов в запорном барабане.
Количество запорных барабанов равно количеству лопастей на главном роторе и при имеющейся возможности лопастям главного ротора проходить в пропускных проемах запорных барабанов их поверхности не соприкасаются между собой, но проходят без соприкосновения на минимально возможном расстоянии между их ближайшими поверхностями без трения.
В исполнении с двумя рабочими лопастями главного ротора, двумя запорными барабанами, двумя секциями сжатия со своими роторами и четырьмя камерами сгорания на крышке корпуса, предлагаемый двигатель совершает 4 такта полезной работы (4 рабочих ходов расширения) за 1 оборот ротора и главного вала, тогда как 4-тактный одноцилиндровый поршневой мотор всего 0.25 рабочего такта за полный оборот своего коленвала, а одноцилиндровый двигатель Ванкеля 0.75 такта полезной работы за оборот эксцентрикового вала. А в исполнении с тремя рабочими лопастями главного ротора, тремя запорными барабанами, тремя секциями сжатия со своими роторами и шестью камерами сгорания на крышке корпуса предлагаемый двигатель совершает 9 тактов полезной работы (9 рабочих ходов расширения) за 1 оборот рабочего ротора и главного вала. Благодаря этим особенностям конструкции, для увеличения мощности и крутящего момента двигателю не нужно иметь высокие обороты главного вала, хотя ограничений для наращивания его оборотов в конструкции не существует и можно ожидать от опытных образцов выход на параметры оборотов близких к газовым турбинам типа авиационных двигателей - до 20 тысяч оборотов в минуту, но в отличие от газовых турбин при высоких параметрах крутящего момента даже на низких оборотах и при малых затратах топлива.
Способ преобразования давления рабочих газов в движение рабочего вала - простое вращательное движение - позволяет исключить потери, характерные для поршневого двигателя с его кривошипно-шатунным механизмом. Крутящий момент предлагаемой конструкции заметно больше, чем у поршневого четырехцилиндрового или двигателя Ванкеля, т.к. радиус действующего плеча лопасти ротора легко делается в этой конструкции значительно больше плеча кривошипа (которое при его работе все время меняется от ноля до максимума и обратно) в поршневом двигателе или величина эксцентриситета эксцентрикового вала в роторном двигателе Ванкеля. При этом рабочий ход совершают одновременно несколько симметрично разнесенных по диаметру ротора лопастей, которые находятся в данных момент в секторах «расширения - рабочего хода».
При конструкции двигателя с двумя рабочими лопастями ротора длина рабочего хода каждой лопасти по сравнению с традиционным поршневым мотором, который имеет близкий по площади к поверхности поршневой лопатки диаметр поршня (длина рабочего хода поршневого ДВС примерно равна диаметру поршня), будет в 6 раз больше. При такой конструкции изобретения появляется возможность превращать практически всю энергию давления горячих газов в полезную работу движения лопастей в сегментах расширения с постоянным вращением ротора. При этом температура и давление газов, выпускаемых из камеры расширения, должны быть минимально избыточными.
Двигатель хорошо уравновешен - все подвижные детали двигателя совершают исключительно простые вращательные движения. В то время как у 4-цилиндрового 4-тактного поршневого двигателя имеется около 40 деталей с возвратно поступательными движениями, что дает значительные вибрации таких моторов.
Двигатель компактен, имеет простую конструкцию и малое количество деталей, что дает ему возможность достичь более высоких рабочих параметров по сравнению с существующими ныне моторами разных типов.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реализация назначения заявленного двигателя возможна к осуществлению через новаторские особенности его конструкции. На прилагаемых к данному разделу патентной заявки чертежах представлена конструкция двигателя с главным ротором, снабженным тремя рабочими лопастями, в корпусе устроены три запорных барабана, имеются три секции сжатия со своими роторами, а на торцевых крышках корпуса организованы шесть камер сгорания - по три на каждой стороне. 5-тактный роторный двигатель с вращающимися запорными элементами, раздельными секциями сжатия и расширения рабочего тела и обособленными камерами сгорания неизменного объема (фигура 1) содержит наружный корпус (элемент 1), главный рабочий ротор с лопастями (элемент 2) - это основная внутренняя часть, запорные барабаны (элемент 3), роторы секций сжатия (элемент 4), золотниковые клапаны газораспределения (элемент 5) и камеры сгорания (элемент 6), а также редуктор привода в движение каждого из трех запорных барабанов, роторов секций сжатия и золотниковых клапанов (на чертеже не изображен).
Корпус представляет собой полую корпусную деталь с выступами, где устроены полости - гнезда для размещения запорных барабанов, секций сжатия и золотниковых клапанов. По торцевым поверхностям корпус закрыт торцевыми крышками. В этих крышках проделаны окна подачи рабочей смеси, как и выхлопные окна - для выпуска отработавших газов. Также на обеих крышках размещены камеры сгорания, в стенках которых устроены гнезда для размещения свечей зажигания.
Ротор представляет собой деталь цилиндрической формы, жестко соединенную с главным валом двигателя, на равных угловых расстояниях по которому устроены лопасти - выступающие сегменты (они торцами упираются во внутреннюю поверхность корпуса), которые играют роль рабочих лопаток турбины (или поршней поршневого мотора) и приводят ротор в движение, воспринимая на себя давление рабочих газов. Запорные барабаны представляют собой цилиндрические детали, на боковой поверхности которых сделаны выемки - полости для пропускания при их вращении рабочих лопастей ротора. Цилиндрические поверхности ротора и запорных барабанов за счет подбора диаметров и частоты вращения без трения обкатываются друг по другу, а диаметры барабанов при этом делаются кратно меньше диаметра ротора.
Геометрия внутреннего рабочего пространства двигателя представляет собой кольцевую полость. Она устроена так, что запорные барабаны, входящие своими боковыми поверхностями в соприкосновение с внешней цилиндрической поверхностью ротора, делят эту круговую, кольцевую полость на равные рабочие сектора, в дугообразном объеме каждого из которых могут двигаться лопасти сектора, в дугообразном объеме каждого из которых могут двигаться лопасти ротора. В свою очередь при таком движении в дугообразных секторах лопасти ротора делят каждый из этих рабочих секторов на два сегмента переменного объема (фигура 2) - на камеры: рабочего расширения (элемент 7) и выпуска (элемент 8). По бокам к гнездам запорных барабанов примыкают цилиндрические полости секций сжатия, в которых происходят процессы всасывания и сжатия свежих зарядов рабочей смеси. Эти процессы осуществляются вследствие того, что могущие вращаться лопасти роторов делят кольцевой сектор внутри секции сжатия на два сегмента - камеры переменного объема: всасывания (элемент 9) и сжатия (элемент 10). Корпус устроен таким образом, что запорные барабаны главного рабочего ротора одновременно оказываются запорными барабанами и для роторов секций сжатия. Во фрагментах корпуса, разделяющих дуговые сектора секции главного рабочего ротора и кольцевые полости каждой из секций сжатия, устроены гнезда для цилиндриков золотниковых клапанов газораспределения, которые управляют процессами впуска и выпуска рабочего тела (сжатой рабочей смеси и рабочих газов горения) в камеры сгорания и из них, а также временно герметично запирают эти камеры.
Именно в этом едином элементно-технологическом комплексе двигателя из кольцевых полостей сжатия, камер сгорания и кольцевой полости главного рабочего ротора, раздельно в пространстве и одномоментно и непрерывно во времени как раз и происходят все технологические рабочие такты двигателя.
Когда в каждой камере сгорания искрой от электросвеч поджигается рабочая смесь, она некоторое время горит в запертых камерах, а потом золотниковые клапаны открывают окна из камер сгорания и в сегменты расширения главного ротора начинают выбрасываться горячие рабочие газы высокого давления. От этого в дугообразных полостях сегментов расширения возникает высокое давление. Так как оси запорных барабанов и корпус не могут двигаться относительно друг друга, то смещаться от давления газов могут лишь рабочие элементы главного ротора - его лопасти, тем самым превращая это давление горячих газов горения во вращение ротора. Так происходят сразу несколько последовательных процессов «расширения - выпуска» в объемах рабочих секторов. Одновременно с этим процессом от главного вала через шестерни приводятся в движение роторы секций сжатия, и они засасывают и сжимают свежие заряды рабочей смеси, которые затем через золотниковые клапана попадают в камеры сгорания.
Запорные барабаны и роторы секций сжатия приводятся в движение от вращения своих осей, которые в свою очередь связаны через шестеренчатое соединение с главным валом двигателя.
Последовательность вращательных рабочих циклов двигателя такова - на примере мотора с трехлопастным ротором и тремя запорными барабанами, которые все вместе создают три рабочих сектора, в которых будут происходить такты «расширения - выпуска», с тремя секциями сжатия, где будут происходить такты «всасывания - сжатия», с тремя золотниковыми клапанами газораспределения и с шестью камерами сгорания, где будут происходить такты «горения» т.е. создания рабочего тела высокого давления (фигура 1):
Исходное положение (фигура 3) - лопасти главного рабочего ротора находятся в пропускных выемках запорных барабанов, каждая из трех рабочих дугообразных камер - секторов кольцевой секции главного ротора - не разделена на специализированные сегменты. В рабочем дугообразном объеме каждой камеры давление равно атмосферному, так как выхлопные отверстия всех трех секторов свободно открыты в атмосферу, а запорные барабаны в этом положении не изолируют соседние секторы друг от друга. В этот момент роторы секций сжатия уже совершили значительную часть своего пути и в большой мере сжали свежий заряд рабочей смеси для его дальнейшего впуска в нечетные камеры сгорания. В это время в полостях герметично запертых четных камер сгорания уже произошел поджиг и завершилось сгорание при неизменном объеме ранее закачанной туда рабочей смеси. То есть рабочая смесь там превратилась в газы горения высокой температуры и большого давления.
При повороте ротора против часовой стрелки его лопасти входят в соприкосновение - скольжение своими верхними торцами с внутренней поверхностью рабочей кольцевой камеры корпуса с минимальным зазором, обеспечивающим ее герметичность. В этот момент каждый запорный барабан поворачивается вокруг своей оси так, что пропускная выемка уходит в сторону и барабан своей боковой цилиндрической поверхностью входит в плотное соприкосновение без скольжения с внешней цилиндрической поверхностью ротора. Этими согласованными движениями рабочих лопастей главного ротора и цилиндрических поверхностей запорных барабанов впереди и позади каждой лопасти ротора в каждом из трех секторов создаются обособленные объемы рабочих камер - объемы сегментов «расширения» и сегментов «выпуска». Позади движущейся лопасти образуется увеличивающийся в объеме сегмент «расширения», куда должны направляться горячие газы высокого давления из камеры сгорания, а впереди движущейся лопасти образуется открытый в атмосферу и сжимающийся сегмент «выпуска» (фигура 4). В этот момент золотниковые клапаны своим вращением открывают окна перепуска рабочих газов из четных камер сгорания в сегменты расширения позади рабочих лопастей. Эти газы под огромным давлением врываются в полости сегментов расширения позади рабочих лопастей (относительно их вращательного движения), которые в данный момент имеют очень малый объем и начинают давить с большим усилием на роторные лопасти, приводя во вращение главный рабочий ротор. Этот процесс происходит одновременно в сегментах расширения всех трех рабочих секторов объемного кольцевого пространства секции главного ротора двигателя. Одномоментно в этих секторах впереди рабочих лопастей через окна выпуска происходит вытеснение в атмосферу отработавших рабочих газов предыдущего цикла.
В это же время в секциях сжатия, где происходит осуществление тактов «впуск - сжатие», движение лопастей роторов секций сжатия подходит к своему крайнему на пути сжатия положению, золотниковые клапаны открывают окна в нечетные камеры сгорания и туда «закачивается» свежий заряд рабочей смеси (фигура 4). Когда лопасти роторов секций сжатия проходят свое крайнее положение на линии хода сжатия и скоро готовы войти в проемы пропускных полостей запорных барабанов, золотниковый клапан запирает окно сообщения сегмента сжатия и камеры сгорания. Камера сгорания герметично запирается, в ней почти сразу за этим происходит поджег рабочей смеси от электрической искровой свечи, и начинается горение паров рабочей смеси в замкнутом объеме при нарастающей температуре и увеличивающемся давлении.
По мере развития процесса рабочего хода на пути увеличения сегментов расширения секции главного ротора, в полости которых выбрасываются газы горения из четных камер сгорания, лопасти ротора совершают значительную часть своего рабочего хода (фигура 5). При этом в четных камерах значительно уменьшается давление, т.к. рабочие газы выбрасываются через окна, открытые золотниковыми клапанами в сегменты расширения. Далее лопасти главного ротора проходят до конца путь рабочего хода и открывают собой окна выпуска отработанных газов в атмосферу (фигура 6). Во всех объемных парах элементов «камера сгорания - сегмент расширения» давление падает до атмосферного. В следующий миг вращающиеся золотниковые клапана закрывают окна между камерами сгорания и сегментами расширения, и опустевшие камеры сгорания становятся готовы принять новый заряд сжатой рабочей смеси.
В этот же период в секциях сжатия движение лопастей их роторов создает разряжение в расширяющихся сегментах «впуска» позади рабочих лопастей, которые заполняются засасываемой из карбюратора рабочей топливной смесью через открытые окна впуска, а спереди рабочих лопастей в сегментах сжатия происходит сжатие втянутых туда в предыдущем цикле зарядов рабочей смеси (фигура 6).
Через некоторое время лопасти главного рабочего ротора входят в пропускные проемы запорных барабанов, каждый из дуговых рабочих секторов кольцевого пространства главной роторной секции перестает разделяться на два сегмента, лопасти ротора оказываются в исходном положении (фигура 3) и на этом заканчивается последовательный технологический цикл из 5-ти тактов и одновременно двигатель начинает новый круг из 5-ти тактов очередного цикла.
Таким образом, в двигателе данной конструктивной компоновки большую часть времени его работы происходит одновременно 3 такта расширения, 3 такта выпуска, 3 такта сжатия и 3 такта впуска и 3 такта горения рабочей смеси.
Такт расширения в данной конструктивной компоновке двигателя продолжается значительное расстояние и занимает в приведенной на чертеже конструкции угловую величину практически в 78 градусов в каждом рабочем секторе из величины в 120 градусов всей его длины. Т.е. общий рабочий ход составляет 78 градусов из 120 градусов всей угловой протяженности движения рабочего органа в каждом из 3 кольцевых секторов или 210 градусов за полный оборот вала, что составляет 65% от углового расстояния полного оборота вала, и это при постоянном плече крутящего момента. (В отличие от этой величины в 25% в 4-тактных и 50% в 2-тактных поршневых двигателях - и это при все время нестабильной величине крутящего момента.) В зависимости от технических задач и геометрии конкретной компоновочно-габаритной схемы угловая величина и линейная протяженность рабочего такта может быть еще несколько увеличена.
Кроме этого преимущества у роторного двигателя есть еще одно выраженное преимущество перед поршневыми двигателями - на одной линии рабочего хода, в одном рабочем объеме одновременно осуществляют рабочее движение сразу несколько рабочих органов, что в поршневом моторе невозможно в принципе. Во время осуществления описанного процесса на симметрично разнесенных сторонах кольцеобразного объема рабочего пространства между поверхностями главного ротора и корпуса рабочие циклы совершают три рабочие лопасти ротора. Т.е. работа давления газов горящего топлива во время рабочего цикла совершается одновременно на трех рабочих лопастях.
И такое беспрерывное вращение с почти постоянным съемом мощности от расширяющихся газов (с крутящим моментом с постоянным плечом силы) по всему кольцу углового расстояния может продолжаться и продолжаться. Т.е. за один оборот ротора и главного вала двигателя каждая рабочая лопасть будет совершать 3 рабочих такта, а совокупно 3 рабочих лопасти ротора за один оборот вала будут совершать 9 рабочих тактов. Эта величина в 9 рабочих тактов оказывается очень большой против (если брать одно поршневую схему для традиционных ДВС) 0,25 рабочего такта у 4-тактного мотора, и 0,5 рабочего такта у 2-тактного поршневого мотора за один оборот рабочего вала. Именно по этой причине от данной конструкции следует ожидать многократного прироста мощности при одинаковом с традиционными поршневыми моторами объеме рабочих камер расширения. А если сделать мотор предлагаемой конструкции по примеру 2- или 4-цилиндровых поршневых моторов состоящим из нескольких роторных секций, то количество рабочих тактов в этом случае будет нарастать в арифметической прогрессии - 18 для двух секционной компоновки и 36 рабочих такта за оборот рабочего вала для компоновки из четырех роторов. Для получения подобных показателей для 4-тактного мотора - т.е. 36 рабочих такта за оборот вала в нем надо будет иметь 144 поршня.
Кроме того, при больших диаметрах ротора можно изготовить ротор с 4 или даже более лопастями, а корпус мотора соответственно - с 4 или большим числом запорных барабанов. Эти типы двигателей будут иметь многократно большую мощность, так как двигатель с 4 рабочими лопатками на одном роторе будет давать 16 рабочих тактов за один оборот вала.
При этом особенность устройства двигателя, в котором процессы (технологические такты) сжатия рабочей смеси и расширения рабочих газов горения разнесены в разные технологические полости, дает возможность легко сделать такты расширения и сжатия разными по длине хода и различными по технологическому объему для тонкой регулировки параметров работы мотора, что практически не возможно осуществить в традиционных поршневых ДВС. Предлагаемая компоновка также позволяет осуществлять регулирование параметров такта сжатия, что дает возможность управлять мощностно-динамическими свойствами двигателя и минимизирует сложность конструкции, и снимает высокие требования к качеству топлива.
Кроме всасывания рабочей горючей смеси через карбюратор в сектор впуска, возможно заполнение этого сектора только чистым воздухом с его последующим сжатием в сегменте сжатия, с дальнейшим осуществлением работы двигателя по типу дизеля - с впрыском топлива непосредственно в объем камеры сгорания, которая уже заполнена сильно сжатым и разогретым от этого воздухом.
Главная особенность изобретения - взаимное расположение и согласованные вращательные движения рабочих лопастей главного ротора в его полости, рабочих лопастей роторов секций сжатия в их полостях, золотниковых клапанов, управляющих перепускными окнами, сложных поверхностей запорных барабанов (каждый расположенный в своем гнезде), полостей камер сгорания на корпусе двигателя, а также расположение впускных, перепускных и выпускных окон, что в комплексе совместной работы создает возможность согласованного осуществления одномоментно многих технологических процессов - тактов «впуска - сжатия», «поджига - горения» и «расширения - выпуска». Именно применением этой конструкции достигается возможность организовать полный рабочий цикл из 9 тактов по вращательно-кольцевому принципу за один оборот главного вала, для указанного на прилагаемом чертеже варианта компоновки конструкции данного двигателя с тремя лопастями ротора, и таким же количеством запорных барабанов, трех роторных секций сжатия и шести камер сгорания.