РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY PISTON ICE

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к устройствам, в которых энергия от сжигания топлива передается посредством совершения работы в механическое круговое движение поршневого элемента ротора-поршня относительно статора и предназначено для использования в качестве двигателя в различных отраслях промышленности.
Известны конструкции двигателей внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движения поршней прямоугольного сечения [1], где рабочее пространство образовано стенками статора и поверхностью поршней. Эти двигатели принадлежат к устройствам, в которых энергия от сжигания топлива передается посредством совершения работы в механическое круговое движение поршневого элемента ротора-поршня относительно статора и предназначено для использования в качестве двигателя в различных отраслях промышленности. Основным недостатком этих двигателей - возникновение значительных сил инерции от возвратно-поступательного движения масс, большие механические потери.
Ближайший прототип предлагаемого изобретения - патент США [2]. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора. Устройство двигателя является двенадцатитактным роторно-поршневым двигателем внутреннего сгорания, с шестью тактами в стадии сжатия роторами-поршнями в трех цилиндрах с последовательным уменьшением объема в них и шестью тактами в стадии сгорания роторами-поршнями в трех цилиндрах с последовательным увеличением объема в них. Между цилиндрами сжатия и цилиндрами сгорания расположена предварительная камера сгорания с установленной в ней свечой зажигания. Двигатель содержит главный вал вращения роторов-поршней и распределительный вал для вращения полумесячных клапанов. Валы соединены с помощью шестерен, угол поворота каждого полумесячного клапана связан с углом поворота сопряженного ротора-поршня.
Двигатель имеет существенные недостатки. Конструкция ротора-поршня и клапана по форме полумесяца не позволяет создать герметичное разделение камеры всасывания с камерой сжатия в одном цилиндре. Из камеры сжатия происходит утечка топливной смеси в камеру всасывания, поэтому процесс сжатия выполнен на трех цилиндрах. Конструкция ротора-поршня и клапана по форме полумесяца не позволяет создать герметичное разделение камер сгорания с камерой выхлопа. Из камеры сгорания происходит утечка газа в фазе горения в камеру выхлопа, поэтому процесс сгорания выполнен на трех цилиндрах. Это приводит к увеличению эффективной площади камеры сгорания и уменьшению КПД. Утечка газа в фазе горения делает невозможным подачу сжатой топливной смеси и воспламенения от свечи зажигания в камере сгорания. По этой причине между цилиндрами сжатия и цилиндрами сгорания создана предварительная камера сгорания с установленной в ней свечой зажигания. Все это привело к увеличению механических потерь в устройстве с четырьмя лишними цилиндрами, предварительной камерой сгорания и усложнения конструкции. Технико-экономические параметры ухудшились по сравнению с параметрами роторных двигателей внутреннего сгорания, например двигателем Ванкеля.
При поиске прототипа было выявлено, что эти типы двигателей не выпускаются и технические характеристики неизвестны. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является четырехтактный роторно-поршневой двигатель Ванкеля [3], который имеет камеры всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа и которые образуются в результате движения ротора-поршня относительно внутренней поверхности статора. Камеры всасывания, сжатия, сгорания и выхлопа располагаются каждая в своем секторе по окружности статора, и в каждой камере происходит периодически один и тот же такт. Двигатель Ванкеля принадлежит к устройствам, в которых энергия от сжигания топлива передается посредством совершения работы в механическое круговое движения поршневого элемента ротора-поршня относительно статора и предназначено для использования в качестве двигателя в различных отраслях промышленности.
В двигателе Ванкеля ротор-поршень треугольной формы скользит вершинами треугольника по внутренней сложной двухэпитрохоидной поверхности статора со значительным трением, что уменьшает механический КПД. Для уменьшения трения и предотвращения от задиров между трущимися поверхностями в топливо добавляют масло, которое в камере сгорания образует вредные примеси, которые выбрасываются из двигателя в атмосферу. Двигатель имеет большую поверхность и неблагоприятную, с позиции тепловых потерь, форму камеры сгорания, что является причиной относительно низкого индикаторного КПД и большого расхода топлива. Направление движения поверхности, от давления газа на ротор-поршень, не совпадает с касательной окружности вала вращения. Низкие пусковые качества, из-за неустойчивой работы двигателя на малых оборотах вала вращения, в результате продолжительного сообщения через камеру канала всасывания и канала выхлопа. Низкое количество тактов (циклов) на один оборот вращения двигателя [3].
Для характеристики технического решения шеститактного роторно-поршневого адиабатного двигателя внутреннего сгорания используются, в частности, следующие признаки: роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора, отличающийся тем, что конструкция двигателя является шеститактным роторно-поршневым адиабатным двигателем внутреннего сгорания с геометрическим разделением цикла на такты по секциям, на секцию с тактами всасывания-сжатия, на секцию с тактами сгорания-выхлопа, на секцию с тактами утилизации-выпуска, ротор-поршень в каждой секции закреплен на общем валу вращения двигателя со сдвигом по окружности вращения таким образом, что все такты в цикле происходят одновременно, в камере всасывания образован канал всасывания топливной смеси, а из камеры выпуска выполнен канал выпуска отработанных газов из двигателя, общий вал вращения роторов-поршней двигателя установлен на опорные подшипники, секции состоят из цилиндрических статоров, по сторонам которых установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в каждой секции при вращении ротор-поршень взаимодействует с боковыми стенками перегородок и крышками в цилиндре статора и образует рабочие камеры для своей секции, а в камере сжатия топливной смеси в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа образован клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, из камеры выхлопа в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска выполнен канал впуска выхлопных газов в камеру утилизации, в статоре, около отверстия клапана подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания.
В примере описания предлагаемого изобретения приведено одно из средств реализации предлагаемого изобретения. Признаки, которые излагаются в примере описания, кратко излагаются в следующем виде.
Двигатель состоит из секции всасывания-сжатия, из секции сгорания-выхлопа, из секции утилизации-выпуска. Роторы-поршни в секциях расположены на общем валу двигателя и вращаются синхронно с равными скоростями. Секции состоят из статоров, внутренняя поверхность которых выполнена эллипсоидной. Между статорами установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в которых установлены подшипники общего вала вращения двигателя.
В одном из полюсов эллипса каждого статора установлены роторы-поршни, закрепленные на общем валу двигателя. По радиусу дисков под усилием раздвижных пружин и эллипсоидных поверхностей статоров смещаются поршни, при вращении общего вала, образуя секции камеры всасывания-сжатия, секции камеры сгорания-выхлопа и секции камеры утилизации-выпуска одновременно.
В эллипсоиде статора секции всасывания-сжатия, в направлении малой оси эллипса, в камере всасывания расположен канал всасывания топливной смеси, а на противоположном конце малой оси эллипса, в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа, расположен клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания из камеры сжатия. В секции сгорания-выхлопа, на противоположной стороне от клапана подачи топливной смеси, в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска расположен канал впуска выхлопных газов из камеры выхлопа в камеру секции утилизации-выпуска. На противоположной стороне от канала впуска выхлопных газов в статоре секции утилизации-выпуска расположен канал выпуска отработанного газа из камеры выпуска.
В статоре секции сгорания-выхлопа, около клапана подачи топливной смеси, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания. В конструкции двигателя более холодная камера в секции всасывания-сжатия отделена от более горячей секции с камерами сгорания-выхлопа. Это снимает противоречие при создании адиабатного двигателя в одном цилиндре одновременно - более холодного для всасывания-сжатия и более горячего для тактов сгорания-выхлопа. При разделении на секции теплообмен между внешней средой и газом в секции сгорания-выхлопа по сравнению с изменением внутренней энергии рабочего тела будет мал, что и приближает двигатель к адиабатному циклу. В секции утилизации-выпуска используется энергия выхлопных газов из секции сгорания-выхлопа, что дает дополнительное увеличение мощности и момента вращения на валу двигателя. Для охлаждения дисков роторов-поршней, во всех секциях, в валу вращения выполнена магистраль подачи охлаждающей жидкости. В местах, где роторы-поршни соприкасаются с сопряженными поверхностями, выполнены уплотнители. В двигателе исключено одновременное перекрытие камеры канала всасывания топливной смеси и канала выпуска отработанного газа, поэтому вспышки и "хлопки" в этих каналах исключены. Траектория движения боковых поверхностей поршней при работе давления газа совпадает с касательной к окружности вала вращения и маховику, на которые передается вся энергия. Камера сгорания имеет клиновидную форму между эллипсоидом статора и диском ротора-поршня с малой площадью поверхности. Материалы - сталь, алюминиевые сплавы, медно-графитовые сплавы, материал с малой теплопроводностью (керамика) или материал с малой теплопроводностью для напыления на рабочие поверхности камер.
Для характеристики технических результатов в использовании шеститактного роторно-поршневого адиабатного двигателя внутреннего сгорания используются, в частности, следующие признаки повышения качества технико-экономических параметров двигателя путем:
- увеличения КПД, мощности и момента вращения на валу двигателя, за счет использования выхлопного газа в секции утилизации-выпуска;
- уменьшения тепловых потерь и потерь от выхлопного газа, за счет геометрического разделения цикла в конструкции на такты более холодной секции всасывания-сжатия и на такты в более горячей секции сгорания-выхлопа, а также на такты в секции утилизации-выпуска. При этом затраты энергии на сжатие в более холодной камере уменьшены, тепловые потери в более горячей камере секции сгорания-выхлопа также уменьшены. Уменьшены и потери в секции утилизации-выпуска;
- уменьшения тепловых потерь и увеличения КПД путем создания цикла, близкого к адиабатному, за счет изготовления секции сгорания-выхлопа и секции утилизации-выпуска из материала с малой теплопроводностью. Уменьшение шума от выхлопных газов за счет применения секции утилизации-выпуска;
- устойчивой работы двигателя на малых оборотах, отсутствие "хлопков" и обратных вспышек в канале всасывания, за счет отсутствия одновременного перекрытие камерой канала всасывания и канала выпуска отработанных газов.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия от сгорания топлива в нем передается посредством совершения работы в круговое механическое движение ротора-поршня относительно статора, отличающийся тем, что конструкция двигателя является шеститактным роторно-поршневым адиабатным двигателем внутреннего сгорания с геометрическим разделением цикла на такты по секциям, на секцию с тактами всасывания-сжатия, на секцию с тактами сгорания-выхлопа, на секцию с тактами утилизации-выпуска, ротор-поршень в каждой секции закреплен на общем валу вращения двигателя со сдвигом по окружности вращения таким образом, что все такты в цикле происходят одновременно, в камере всасывания образован канал всасывания топливной смеси, а из камеры выпуска выполнен канал выпуска отработанных газов из двигателя, общий вал вращения роторов-поршней двигателя установлен на опорные подшипники, секции состоят из цилиндрических статоров, по сторонам которых установлены разделительные перегородки, а с внешних сторон - боковые крышки, в каждой секции при вращении ротор-поршень взаимодействует с боковыми стенками перегородок и крышками в цилиндре статора и образует рабочие камеры для своей секции, а в камере сжатия топливной смеси в разделительной перегородке с секцией сгорания-выхлопа образован клапан подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, из камеры выхлопа в разделительной перегородке с секцией утилизации-выпуска выполнен канал впуска выхлопных газов в камеру утилизации, в статоре, около отверстия клапана подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания, выполнено резьбовое отверстие для установки свечи зажигания.
Частные признаки: конвертирование двигателя внутреннего сгорания в двигатель внешнего сгорания топлива производится путем установки горелки-форсунки над секцией сгорания-выхлопа, а выпускной канал соединяется трубопроводом через радиатор охлаждения с каналом всасывания, а в трубопровод и двигатель закачивается под давлением газ; создание многотопливного двигателя с автоматической регулировкой коэффициента сжатия, путем создания автомата регулировки на валу вращения между секцией всасывания-сжатия и секцией сгорания-выхлопа; дизельный вариант - установка вместо свечи зажигания форсунки высокого давления.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.
Фиг.1 и фиг.2. Общий вид двигателя.
Фиг.3. Двигатель фиг.2 разрез по "А-А".
Фиг.4 и фиг.5. Общий вид ротора-поршня в сборе.
Фиг.6. Двигатель фиг.2 разрез но "Б-Б".
Фиг.7. Двигатель фиг.1 разрез по "В-В".
Фиг.8. Двигатель фиг.1 разрез по "Г-Г".
Фиг.9. Двигатель фиг.1 разрез по "Д-Д".
Пример конкретного выполнения роторно-поршневого двигателя.
Общий вид двигателя внутреннего сгорания показан на фиг.1 и фиг.2, на которой расположены вал 1 вращения, болты 2 крепления, левая боковая крышка 3, секция 4 всасывания-сжатия, секция 5 сгорания-выхлопа, секция 6 утилизации-выпуска, правая боковая крышка 7, разделительная перегородка 8, разделительная перегородка 9, маховик 10 двигателя. На общем виде фиг.2 нанесены линия разреза по "А-А", линия разреза по "Б-Б", на фиг.1 - линия разреза "В-В", линия разреза "Г-Г", линия разреза "Д-Д".
На фиг.3 показан вид двигателя по линии разреза "А-А" фиг.2 секции 4 всасывания-сжатия, которая состоит из ротора-поршня 11, статора 12, правой боковой крышки 7 с подшипником скольжения 13, разделительной перегородки 8 с подшипником скольжения 14, уплотнителей 15, раздвижной пружины 16 и поршня 17.
В средней части фиг.3 показана секция 5 сгорания-выхлопа, которая состоит из ротора-поршня 18, статора 19, разделительной перегородки 9 с подшипником скольжения 20, разделительной перегородки 8, раздвижной пружины 21, поршня 22, уплотнителей 23.
На левой стороне фиг.3 показана секция 6 утилизации-выпуска, которая состоит из ротора-поршня 24, статора 25, поршня 26, левой боковой крышки 3 с подшипником скольжения 27, разделительной перегородки 9, уплотнителей 28, раздвижной пружины 29.
Следует отметить, что внутренняя поверхность статоров 12, 19, 25 выполнена в виде эллипсоида, в полюсах которых установлены роторы-поршни. Так в секции 4 центр ротора-поршня 11 совмещен с верхним полюсом эллипса статора 12 фиг.3 и вращается в нем по окружности. В секции 5 центр ротора-поршня 18 совмещен с нижним полюсом эллипса статора 19 фиг.3 и вращается в нем по окружности. В секции 6 центр ротора-поршня 24 совмещен с верхним полюсом эллипса статора 25 и вращается в нем по окружности. Все роторы-поршни 11, 18, 24 жестко закреплены на валу 1 и вращаются синхронно с одинаковой скоростью. Геометрический объем камеры сгорания (расширения) в секции 5 увеличен по сравнению с геометрическим объемом камеры сжатия в секции 4, путем увеличения размера большой оси эллипса в статоре 19. Это приводит к использованию давления газов в конце рабочего хода.
Обеспечение равномерности хода двигателя и взаимной уравновешенности сил инерции обеспечивается следующим образом. Эллипсоидные поверхности, по которым двигаются поршни в статоре секции 5, сдвинуты по окружности на 180° по отношению к эллипсоидной поверхности, по которой двигаются поршни в секциях 4 и 6. Поршни в секциях 4, 5 и 6 двигаются синхронно с одинаковой скоростью вращения. Поэтому силы инерции в секции 5 компенсируются суммарной силой инерции, образующейся в секции 4 и 6. Полная компенсация достигается при равенстве сил инерции в секции 5 с суммарной силой инерции в секциях 4 и 6 и подбирается массой поршней при проектировании двигателя.
На фиг.4 и 5 показано графическое изображение ротора-поршня 18, размещенного в секции 5 сгорания-выхлопа. Все роторы-поршни 11, 18, 24 аналогичны по конструкции. Ротор-поршень 18 состоит из диска 30, в котором по радиусам смещаются поршни 22 под действием раздвижной пружины 21 и внутренней эллипсоидной поверхности статора.
С обеих сторон диска 30 расположены элементы шлицевых разъемов 31 и 32. Шлицевой разъем 31 стыкуется со шлицевым разъемом ротора-поршня 11, расположенного в секции 4 всасывания-сжатия, а шлицевой разъем 32 стыкуется со шлицевым разъемом ротора-поршня 24 в секции 6 утилизации-выпуска. Эти шлицевые разъемы образуют общий вал 1 вращения в двигателе фиг.1 и имеют одинаковую конструкцию.
На фиг.4 и 5 шлицевой разъем ротора-поршня 24 секции 6 утилизации-выпуска шлицами 34, который аналогичен шлицевому разъему 31, вставлен во втулку со шлицами 35. Между шлицевым разъемом 32 диска 30 ротора-поршня 18 и шлицевым разъемом 34, принадлежащим ротору-поршню 24 секции 6 утилизации-выпуска, установлен сальник 36.
Шлицевые разъемы между роторами-поршнями 18 и 11 позволяют устанавливать плоскость поршня 22 секции 5 с плоскостью поршня 17 секции 4, сближая или удаляя их друг от друга, тем самым увеличивая или уменьшая коэффициент сжатия. А регулировка шлицами разъема между роторами-поршнями 18 и 24 путем перестановки шлицов позволяет создать оптимальный вариант подачи выхлопного газа в секцию 6 утилизации-выпуска. Поршни 22, 17 и 26 изготовлены из температуростойкого антифрикционного материала, например из медно-графитового состава.
На торцевой стороне поршней установлены лабиринтные уплотнители [4]. На диске 30 ротора-поршня 18, а также дисках роторов-поршней 11 и 24 установлены уплотнители 23 с подпруживанием. Для установления оптимального температурного режима роторов-поршней 11, 18, 24 в вале вращения 1, через все шлицевые соединения и диски роторов-поршней проходит магистраль 37 с охлаждающей жидкостью, последовательно охлаждая их (не показано).
На фиг.6 показан разрез "Б-Б":
секция 4, состоящая из ротора-поршня 11, статора 12, правой боковой крышки 7 с подшипником скольжения 13, разделительной перегородки 8 с подшипником скольжения 14, поршня 17, раздвижной пружины 16, вала вращения 1. В статоре 12 выполнен канал 38 всасывания. В разделительной перегородке 8 образован клапан 39 подачи сжатой топливной смеси в камеру сгорания секции 5. Клапан состоит из отверстия в разделительной перегородке 8, объемной выборке 40 металла в диске ротора-поршня 11, а также объемной выборке 41 металла в диске 30 ротора-поршня 18 в секции 5 сгорания-выхлопа и отверстия 42 между ними;
секция 5, состоящая из ротора-поршня 18, статора 19, разделительной перегородки 9 с подшипником скольжения 20, раздвижной пружины 21, поршней 22. В статоре 19, около отверстия 42, выполнено отверстие 43 с резьбой для установки свечи зажигания или форсунки высокого давления. В разделительной перегородке 9 выполнен канал 44 впуска выхлопных газов в секцию 6 утилизации-выпуска из секции 5 сгорания-выхлопа;
секция 6, состоящая из ротора-поршня 24, статора 25, разделительной перегородки 9 с подшипником скольжения 20, поршней 26 и раздвижной пружины 29, крышки 3 с подшипниками скольжения 27. В статоре 25 секции 6 выполнен канал 45 выпуска отработанных газов.
На фиг.7 разреза "В-В" секции 4 всасывания-сжатия двигателя фиг.1 изображены: статор 12, ротор-поршень 11, поршень 17, уплотнители 15, раздвижная пружина 16, диск 46 ротора-поршня 11, объемная выборка 40 в диске 46, канал 38 всасывания, камера 47 всасывания и камера 48 сжатия.
Если вращать вал 1 с ротором-поршнем 11 в статоре 12 по часовой стрелке, то поршень 17 при движении по эллипсоидной поверхности статора 12 за каждый оборот дважды всасывает топливную смесь в камеру 47 через канал 38 всасывания, а в камере 48 дважды сжимает эту смесь, и через отверстие 42 клапана 39 в разделительной перегородке 8 фиг.6 сжатая смесь поступает в секцию 5 сгорания-выхлопа.
На фиг.8 разреза "Г-Г" секции сгорания-выхлопа двигателя фиг.1 показаны: статор 19, ротор-поршень 18, поршень 22, уплотнитель 23, раздвижная пружина 21, диск 30, объемная выборка 41 в диске 30, камера 49 выхлопа, отверстие 42, клапана 39 подачи сжатой топливной смеси из секции 4 в секцию 5, камера 50 сгорания, резьбовое отверстие 43 для свечи зажигания или форсунки высокого давления и канал 44 впуска выхлопных газов в секцию 6.
На фиг.9 разреза "Д-Д" секции 6 утилизации-выпуска двигателя фиг.1 показаны: статор 25, ротор-поршень 24, поршень 26, раздвижная пружина 29, уплотнители 28, диск 46, канал 44 впуска выхлопных газов, в разделительной перегородке 9 фиг.6, камера 51 утилизации выхлопных газов, камера 52 выпуска отработанного газа и канал 45 выпуска отработанных газов.
Описание основных процессов, протекающих в шеститактном адиабатном двигателе.
Делаем, условно, вращение вала 1 по часовой стрелке, но перед этим рассмотрим положение ротора-поршня 11 секции 4 фиг.7 с положением ротора-поршня 18 секция 5 фиг.8. На фиг.7 видно, что поршень 17 сжал воздух в камере 48, и объемная выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 расположена над отверстием 42 клапана 39. Поршень 17 сжал воздух перед собой, а позади себя при вращении по часовой стрелке в камеру 47 под действием разрежения через канал 38 всасывания поступил воздух.
В момент вращения вала 1 по часовой стрелке рассмотрим положение ротора-поршня 18 секции 5 фиг.8. На Фиг.8 видно, что поршень 22 между диском 30 ротора-поршня 18 и статором 19 образовал камеру сгорания 50. Так как выборка 41 в металле диска 30 расположилась над отверстием 42 клапана 39, то сжатый воздух из камеры 48 фиг.7 поступил в камеру 50 фиг.8. На данных фиг.7 и 8 сжатый воздух в одинаковой пропорции расположился в камерах 48 и 50. Это выполнено для лучшего понимания процесса.
В действительности распределение количества воздуха (смеси) определяется положением отверстия 42 клапана 39 в разделительной перегородке 8. Дальнейший поворот вала 1 по часовой стрелке показывает, что камера 50 сгорания фиг.8 увеличивается в объеме при вращении поршня 22, а из камеры 49 воздух вытесняется через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 и 8 в секцию 6 утилизации-выпуска. Так как выборка 41 в диске 30 ротора-поршня 18 фиг.8 и выборка 40 в диске 46 ротора-поршня 11 фиг.7 сдвинулись с отверстия 42, то клапан 39 закрылся до момента следующего поворота вала 1 на 180°. Если бы в камере 50 произошло сгорание топлива, то давление газов от сгорания не распространилось бы в камеру 48 фиг.7. При этом положение поршня 26 на фиг.9 показано в момент впуска воздуха из секции 5 фиг.8 через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 в секцию 6 фиг.9. Воздух поступает в камеру 51 утилизации, и поршень 26 сдвигается по часовой стрелке и вытесняет воздух из камеры 52 через канал 45 выпуска отработанных газов в атмосферу.
При дальнейшем повороте поршень 17 ротора-поршня 11 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания, и функция камеры 47 всасывания меняется на функцию камеры 48 сжатия, и, так как клапан 39 закрыт, в камере 48 происходит сжатие. И через некоторый угол вращения поршень 17 займет положение, указанное на фиг.7. При этом повороте поршень 22 фиг.8 вытесняет воздух из камеры 49 выхлопа через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 в камеру 51 утилизации секции 6 фиг.9 и образует камеру 50 сгорания, при этом клапан 39 открывается, и сжатый воздух поступает из камеры 48 сжатия фиг.7 в камеру 50 сгорания фиг.8. Следует отметить, что клапан 39 открывается при положении поршней, указанных на фиг.7 и фиг.8, в остальной части поворота он закрыт при помощи дисков роторов-поршней. Для более уверенной герметизации клапана 39 от прорыва горячих газов возможна установка в отверстие 42 клапана 39 пластинчатого или иного дополнительного клапана.
Работа шеститактного роторно-поршневого адиабатного двигателя в динамическом режиме.
Карбюраторный вариант двигателя.
Для этого увеличиваем камеру 48 сжатия фиг.7, чтобы коэффициент сжатия соответствовал карбюраторному режиму двигателя. Делаем перестановку шлицевого разъема между дисками 46 ротора-поршня 11 секции 4 фиг.7 и диском 30 ротора-поршня 18 секции 5 фиг.8 так, чтобы относительное положение поршня 17 фиг.7 и поршня 22 фиг.8 было увеличено. Этим действием увеличиваем объем камеры 48 сжатия фиг.7, и коэффициент сжатия будет соответствовать работе карбюраторного двигателя. В резьбовое отверстие 43 фиг.8 устанавливаем свечу зажигания и на вход канала 38 всасывания фиг.7 устанавливаем карбюратор. Следует отметить, что все роторы-поршни в секциях 4, 5, 6 работают одновременно синхронно с одинаковыми скоростями и такты циклов всасывания, сжатия, сгорания, выхлопа, утилизации, выпуска протекают в двигателе одновременно.
Первый цикл работы двигателя.
В исходном положении элементы роторов-поршней приведены на фиг.7, 8, 9. Поршень 17 фиг.7 одним концом находится перед каналом 38 всасывания, а второй конец находится перед отверстием 42 клапана 39 фиг.6 и 7, который в исходном положении открыт. Так как выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 находится над отверстием 42 клапана 39, а также выборка 41 металла в диске 30 ротора-поршня 18 фиг.8 находится над отверстием 42 клапана 39, поэтому камера 48 сжатия фиг.7 через отверстие 42 клапана 39 сообщается с камерой 50 фиг.8.
1-й такт всасывания топлива в секции 4.
Делаем поворот вала 1 на 180° под действием внешней силы по часовой стрелке. Поршень 17 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания фиг.7, и при дальнейшем движении между каналом 38 всасывания и поршнем 17 возникает разрежение, топливная смесь поступает в камеру 47 фиг.7, при этом выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 смещается с отверстия 42 клапана 39 фиг.7, а также выборка 41 металла в диске 30 ротора-поршня 18 фиг.8 сдвигается с отверстия 42 клапана 39 и клапан закрывается.
2-й такт сжатия топлива в секции 4.
В это самое время при повороте поршня 17 фиг.7 топливная смесь, в данном случае воздух, сжимается в камере 48 фиг.7, так как клапан 39 закрыт, камера 47 всасывания перед поршнем трансформировалась в камеру сжатия.
3-й такт сгорания топлива в секции 5.
В камере 50 фиг.8 находится сжатый воздух, и при вращении вала 1 с диском 30 ротора-поршня 18 фиг.8 происходит увеличение камеры 50 при условном сгорании топлива.
4-й такт выхлопа отработанного газа в секции 5. При этом поршень 22 фиг.8 ротора-поршня 18 при движении по часовой стрелке выталкивает из камеры 49, условно, выхлопной газ через канал 44 впуска выхлопных газов фиг.6 в разделительной перегородке 9 в камеру 51 утилизации секции 6 фиг.9 и 6.
5-й такт утилизации выхлопных газов в секции 6. При повороте вала 1 поршень 26 фиг.9 ротора-поршня 24 смещается по часовой стрелке и принимает воздух через канал 44 впуска выхлопных газов в разделительной перегородке 9 из секции 5.
6-й такт выпуска отработанного газа из секции 6 в атмосферу.
При этом вращении вала 1 поршень 26 фиг.9 выталкивает, условно, отработанный газ через канал 45 выпуска отработанных газов из камеры 52 фиг.9 и 6 в атмосферу.
Так как все роторы-поршни обладают симметрией 180°, то после поворота вала 1 на 180°, закрепленные на нем роторы-поршни заняли положение, указанное на фиг.7, фиг.8, фиг.9.
Второй цикл работы двигателя.
Под действием внешнего усилия на вал 1 делаем поворот его по часовой стрелке на 180° (360° от исходного положения), при котором элементы двигателя расположены, как указано на фиг.7, фиг.8, фиг.9, как перед первым циклом. И шесть рабочих тактов происходят аналогичным образом, как и в первом цикле. За исключением того, что в камере 48 фиг.7 происходит сжатие топливно-газовой смеси, и после сжатия отверстие 42 клапана 39 открывается, так как выборка 40 металла в диске 46 ротора-поршня 11 встала над отверстием 42 клапана 39 фиг.6 фиг.7. Так и выборка 41 металла диска 30 ротора-поршня 18 встала над отверстием 42 клапана 39 фиг.6, и сжатая топливная газовая смесь поступила в камеру 50 сгорания фиг.8. Элементы двигателя заняли положение, указанное на фиг.7, 8, 9.
Третий цикл работы двигателя.
Под действием внешней силы делаем дальнейший поворот вала 1 по часовой стрелке. При этом поршень 17 диска 46 ротора-поршня 11 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания фиг.7, а выборка 40 в металле диска 46 ротора-поршня 11 и выборка 41 в металле диска 30 ротора-поршня 18 смещаются с отверстия 42 клапана 39 и запирают его. В свече зажигания, установленной в отверстие 43 фиг.8, проскакивает искра и поджигает топливно-газовую смесь в камере 50 фиг.8. Давление от сгоревшей газовой смеси вращает поршень 22 фиг.8 по часовой стрелке на 180° (540° от исходного положения), передавая энергию через вал 1 вращения на маховик 10 фиг.1. При этом одновременно все роторы-поршни делают такой же поворот на 180° (540° от исходного значения). В камеру 47 фиг.7 всасывается топливно-газовая смесь за счет поворота поршня 17, а перед поршнем топливно-газовая смесь сжимается в камере сжатия 48 фиг.7.
При вращении поршня 22 фиг.8 по часовой стрелке происходит выталкивание находившегося воздуха в камере 49 через канал 44 впуска выхлопных газов в разделительной перегородке 9 фиг.6, в камеру 51 утилизации секции 6, фиг.9, 6, в которой поршень 26, вращаясь, выталкивает через канал 45 выпуска отработанных газов находившийся в камере 52 воздух фиг.6, 9. После поворота вала 1 на 180° (540° от исходного положения) все элементы двигателя заняли положение, указанное на фиг.7, 8, 9. При этом в камере 48 фиг.7 открывается отверстие 42 в клапане 39, и сжатая топливно-газовая смесь через отверстие 42 поступает в камеру 50 фиг.8.
Четвертый цикл работы двигателя.
За счет энергии, запасенной в маховике 10 фиг.1, все роторы-поршни 11, 18 и 24 делают одновременный поворот по часовой стрелке и проходят "мертвую точку", когда поршень 17 фиг.7 пересекает канал 38 всасывания газовой смеси. Клапан 39 фиг.6, 8 закрывается, так как выборки 40 и 41 металла в дисках сошли с отверстия 42. В этот момент в свече зажигания, установленной в отверстии 43, проскакивает искра, и поступившая газовая смесь в камере 50 фиг.8 воспламеняется, горящая газовая смесь создает давление на поршень 22 фиг.8 и вращает его по часовой стрелке на 180° (720° от исходного значения), отдает и запасает энергию в маховике 10 фиг.1. При этом все роторы-поршни двигателя делают одновременный поворот на 180° (720° от исходного положения). В камеру 47 фиг.7 вновь поступает газовая смесь по каналу 38 всасывания, за счет поворота поршня 17 фиг.7, а впереди поршня ранее поступившая газовая смесь сжимается в камере 48 фиг.7. Поршень 22 фиг.8, через отверстие канала 44 впуска выхлопных газов фиг.8 и 6, выталкивает ранее сгоревшую газовую смесь с довольно высокой температурой и давлением в камеру 51 утилизации фиг.9 секции 6. Позади поршня 26 фиг.9, ранее сгоревшая газовая смесь, продолжает расширяться, снижая температуру, создавая давление на поршень 26, которое увеличивает момент вращения по часовой стрелке, передавая энергию через вал 1 маховику 10 фиг.1. Перед поршнем 26 фиг.9 ранее поступившая смесь выпускается из камеры 52 через канал 45 выпуска отработанных газов фиг.9, 6.
Элементы двигателя заняли положение, указанное на фиг.7, 8, 9, и далее процесс повторяется. Двигатель перешел на активный режим работы в динамике. Начальный отсчет от позиций элементов, указанных на фиг.7, 8, 9 при рассмотрении работы двигателя, взят условно. Этот отсчет можно проводить и от другой точки отсчета поворота вала 1.
Дизельный вариант цикла двигателя.
Для этого необходимо увеличить коэффициент сжатия путем перестыковки шлицевых разъемов между ротором-поршнем 11 и ротором-поршнем 18. В этом случае плоскости поршня 17 фиг.7 сблизятся с поршнем 22 фиг.8, и камера сжатия уменьшится. В отверстие 43 фиг.8 устанавливается форсунка высокого давления. Все процессы при запуске и работе двигателя аналогичны тем, которые описаны при карбюраторном цикле работы двигателя, за исключением того, когда в свече зажигания проскакивает искра, в этот момент форсунка высокого давления должна впрыснуть топливо в камеру 50 фиг.8.
Адиабатный цикл шеститактного двигателя.
Идея адиабатного цикла двигателя не нова. Многие фирмы пытались создать адиабатный двигатель. Наибольшим успехом в развитии адиабатного двигателя достигнуты фирмой "Каммикс" США. Опытный образец был создан на базе шестицилиндрового дизеля [3]. Но результаты испытаний не приведены. Даны только ожидаемые результаты. Очевидно, проект получил отрицательные результаты. Для получения адиабатного цикла необходимо, чтобы температура стенок цилиндра равнялась температуре газовой среды, а это нереально. За основу ими взята головка цилиндра без охлаждения, чтобы приблизить температуру горящей газовой среды к температуре головки. Это требование приблизит работу двигателя к адиабатному циклу. Но для реальной работы двигателя необходимо, чтобы сжатие происходило в холодном цилиндре, при меньших потерях энергии на сжатие, а сгорание происходило бы в горячем цилиндре, чтобы горящая газовая смесь не отдавала тепловую энергию в стенки цилиндра. Сделать это в одном цилиндре невозможно из-за противоречивых требований, чтобы цилиндр был холодным при сжатии и горячим при сгорании топлива. Это противоречие делает невозможным создание адиабатного цикла в варианте выпускаемых двигателей. Этот путь тупиковый.
Авторы предлагаемого изобретения дали свой вариант конструкции двигателя, в котором снимаются эти противоречия. Функцию одного цилиндра разделили на функции двух цилиндров. Это секция (цилиндр) всасывания-сжатия - холодная секция и секция сгорания-выхлопа - горячая секция (цилиндр). Это снимает противоречие. Так в холодной секции потери на сжатие уменьшены и в горячей секции потери при сгорании топлива также будут уменьшены. Даже в обычном температурном режиме карбюраторного двигателя в предлагаемом изобретении будут выражены, в некоторой мере, адиабатным циклом работы.
Для более выраженного адиабатного цикла работы в предлагаемом изобретении секцию всасывания-сжатия необходимо выполнить из алюминиевого сплава, а секцию сгорания-выхлопа и секцию утилизации-выпуска изготовить из керамики, которая имеет очень малую теплопроводность. При этом теплообмен между внешней средой и газом в секции 5 сгорание выхлоп по сравнению с изменением внутренней энергией рабочего тела будет настолько мал, что им можно пренебречь. Поэтому тепловые потери при работе двигателя будут существенно уменьшены.
В настоящее время в г.Тольятти разрабатывается двигатель, в котором поршневая группа выполняется на основе материала, применявшегося на внешней обшивке поверхности космического корабля "Буран". Этот материал может быть применен и в предлагаемом изобретении. Это дает возможность создать адиабатный цикл в двигателе без применения высоких температур в секции всасывания-сжатия и секции утилизации-выпуска как в карбюраторном, так и в дизельном вариантах двигателя.
Источники информации
1. "Судовые роторные двигатели". Б.И.Акатов, В.Б.Болотов, изд. Ленинград, "Судостроение", 1967 г., стр.27-29.
2. Патент US 2447929 A, F02B 53/00, 1948.
3. "Современный экономичный автомобиль". Ю.Мацкерле, изд. М.: "Машиностроение", 1987 г., стр.119-120, 150-154, 216-219.
4. "Уплотнения и уплотнительная техника". Справочник под общей редакцией А.И.Голубева и Л.А.Кондакова, М.: "Машиностроение", 1986 г., стр.375-388.