РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Роторный двигатель внутреннего сгорания (РД)  предназначен для использования в качестве силового агрегата в автомобилестроении, судостроении, авиастроении и т.д. как в бензиновом, так и в дизельном варианте. Задачей изобретения является повышение оборотов ротора, уменьшение шума работающего двигателя, увеличение мощности по отношению к весу, повышение надежности ДВС, уменьшение использования моторного масла, исключение деталей, совершающих возвратно-поступательные движения, и упрощение производства, повышение КПД.
Известна конструкция роторно-турбинного ДВС Несмеева Евгения Алексеевича (патент РФ №2289698, приоритет от 12.11.2002 г.).
Конструкция ДВС по патенту РФ №2289698 представляет собой двухроторный агрегат, состоящий из ротора сжатия и ротора с камерами сгорания, находящихся в одном блоке. Оба ротора кинематически связаны между собой группой шестерен, имеющих собственный корпус, постоянно находящихся в масляной «ванне» и жестко закрепленных на одной оси вращения с соответствующим ротором. При этом во внутреннем пространстве двигателя между роторами и внутренней поверхностью блока соблюдается минимальный зазор (в пределах несколько сотых долей миллиметра в прогретом состоянии), что позволяет отказаться от смазки основных деталей конструкции. Поддержание минимального зазора обеспечивается за счет упомянутой выше группы шестерен. Основные детали силового агрегата: трехкорпусной ротор сжатия представляет собой три цилиндра, объединенные вместе. Ротор сжатия кинематически соединен с ротором, имеющим камеры сгорания, при этом сегменты ротора сжатия поочередно проникают в полости ротора, вследствие чего происходит сжатие топливной смеси.
Рабочие циклы происходят в следующем порядке: рассмотрим их на примере пары поршень-полость.
При вращении роторов в полость ротора под высоким давлением подается воздух. Высокое давление необходимо для снижения потерь компрессии в работающей в данный момент полости ротора. Высокое давление в другой пограничной полости будет поддерживаться некоторое время за счет расширенных выхлопных газов. При дальнейшем вращении роторов в полость ротора, через форсунку впрыскивается топливо. Максимальное сжатие топливной смеси происходит при повороте ротора. При этом работающий цилиндрический сегмент ротора и соответствующая ему в данный момент полость ротора располагаются близко к касательной окружности ротора, в этот момент происходит зажигание, ротор отталкивается - происходит рабочий ход. В свою очередь, ротор получает движение от ротора через шестерню, находящуюся на его валу. Выхлоп в данной конструкции осуществляется под действием собственного избыточного давления, возникающего после воспламенения топлива в полости ротора по завершении рабочего хода, при достижении в процессе вращения ротора выхлопного окна в корпусе двигателя. Далее весь процесс повторяется на других парах сегмент-полость. Зажигание топливной смеси при данной форме камеры сгорания осуществляется следующим образом: в полостях ротора располагаются ввернутые в резьбовые гнезда электроды со знаком «-», под которые в теле ротора выбраны углубления. А в цилиндрические сегменты ротора встроены электроды со знаком «+».
При внимательном изучении чертежа конструкции РТД, описанной в патенте РФ №2289698, становится очевидным, что в данной конструкции не совсем понятно каким образом происходит фаза сжатия. Зажигание является, по моему мнению, значительной проблемой для практической реализации данной конструкции.
Предлагаемая конструкция РД лишена недостатков двигателя, описанного в патенте РФ №2289698.
Представленная конструкция РД имеет одну секцию мотора и одну секцию компрессора, состоящие из двух роторов каждая, находящихся на соответствующих им валах, в разных фазах относительно друг друга, размещенных на трех валах, кинематически связанных между собой шестернями, систему зажигания, отделяемую камеру сгорания, систему смазки, систему подачи топлива, систему охлаждения, впускные и выпускные каналы мотора и компрессора, системы воздушного и водяного охлаждения лопастей, декомпрессионный клапан.
Таким образом, роторный двигатель внутреннего сгорания (РД), представляющий собой корпус, состоящий из секции мотора, секции компрессора с заключенными в них роторами мотора и роторами компрессора, размещенными с зазором между собой, корпусом, секции связующих шестерен, жестко посаженных на соответствующие им валы, а также отделяемой камеры сгорания постоянного объема, помимо этого, в конструкции двигателя также предусмотрены системы: подачи воздуха, впрыска топлива в камеру сгорания, воспламенения топливной смеси, отвода выхлопных газов, смазки подшипников и шестерен, отличается тем, что роторы мотора и компрессора располагаются на трех валах, причем роторы компрессора установлены на разных уровнях, а также отделяемой камерой сгорания постоянного объема, расположенной вне области расширения ротора мотора, в данной конструкции отсутствует контакт между роторами, они имеют разные диаметры, что позволяет увеличить протяженность хода расширения по сравнению с ходом сжатия, что положительно скажется на КПД двигателя, вспомогательным ротором компрессора, расположенным над остальными валами, область вращения которого соединена нагнетательным каналом с камерой сгорания, при этом малый ротор мотора представляет собой цилиндр с полостями, выполняющий роль золотника между камерой сгорания и областью расширения газов, для чего в нем имеются проходящие сквозь него каналы, предназначенные для пропуска горячих газов из отделяемой камеры сгорания в область вращения ротора с лопастями мотора, а также тем, что роторы мотора участвуют только в расширении газов и не участвуют в сжатии, непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, системой воздушного охлаждения лопастей ротора мотора, системой смазки и охлаждения шестерен и вала малого ротора мотора и ротора сжатия компрессора, системой каналов, предназначенных для введения в них герметизирующего состава, служащего для уплотнения частей корпуса РД, а также паровой фазой в виде впрыскивания воды в область вращения ротора мотора, используемой для повышения давления в фазе расширения, а так же охлаждения лопастей ротора мотора, наличием декомпрессионного клапана для работы РД в экономичных режимах, системой воздушного и водяного охлаждения лопастей ротора мотора.
Конструкция РД позволяет использовать в качестве топлива любые сорта бензина, дизельное топливо, спирт, сжиженный газ, а так же работать на кислородно-водородной смеси совместно с углеводородным топливом. При чем, во внутреннем пространстве РД, между основными деталями конструкции сохраняется постоянный зазор, что позволяет отказаться от смазки роторов и внутренних поверхностей корпуса.
РД может применяться в автомобилестроении, судостроении, авиации, в электрогенераторных установках, а также всюду, где применяется поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Фигура 1 - вид секции мотора, фигура 2 - вид секции компрессора, фигура 3 - головка камеры сгорания, фигура 4 - лопасть ротора с лопастями мотора, фигуры 5 и 6 - РД с секциями шестерен, фигура 7 - система смазки и масляного охлаждения РД фигура 8 - схема работы РД на водородно-кислородной смеси совместно с углеводородным топливом, фигура 9 - система воздушного охлаждения лопастей, фигура 10 - шнек системы масляного охлаждения РД, фигура 11 - фаза сжатия воздуха и его подачи в камеру сгорания, фигура 12 - фаза горения топливной смеси, фигура 13 - фаза расширения горячих газов, фигура 14 - взаимное расположение трех валов с роторами мотора и компрессора РД в пространстве, фигура 15 поясняет принцип относительности скоростей вращения роторов разного диаметра, при одинаковой скорости вращения их осей.
РД включает в себя корпус, состоящий из нескольких частей и разделенный на секцию мотора, секцию компрессора и одну или две секции шестерен (в данном случае будет рассматриваться конструкция двигателя с двумя секциями шестерен).
Секция мотора (фигура 1) состоит: корпус 1, малый ротор мотора 2, ротор мотора с лопастями 3, канал 4, лопасть мотора 5, канал масляного охлаждения малого ротора и компрессора 6, канал охлаждения 7, полости малого ротора 8, отделяемая камера сгорания 9, канал выпуска отработанных газов 10, головка камеры сгорания 11, канал воздушного охлаждения лопастей 12, сектор охлаждения лопасти 13, канал впрыска топлива 14, свеча зажигания 15, система уплотнений 16, вал ротора с лопастями 17, вал малого ротора и компрессора 18, проточка 19, диффузор камеры сгорания 20, сектор расширения мотора 21, канал впрыска воды 27, нагнетательный канал компрессора 28.
Секция компрессора (фигура 2) состоит из ротора сжатия 22, лопастей компрессора 23 (А и В), канала подачи воздуха 24, вспомогательного ротора компрессора 25, системы уплотнений 16, вала ротора сжатия компрессора и малого ротора мотора 18, нагнетательного канала компрессора 28, вала вспомогательного ротора компрессора 29, полости вспомогательного ротора компрессора 30, а также канала 26, предназначенного для пропуска сжатого воздуха в отделяемую камеру сгорания, еще до полного открытия полости 30 вспомогательного ротора компрессора 25, а также декомпрессионного клапана 42.
Головка камеры сгорания (фигура 3) состоит из корпуса 31, каналов охлаждения 32, свечи зажигания 15 (не показана), каналов впрыска топлива 14.
Фигура 4 - лопасть мотора 3, где 5 - лопасть, 43 - горизонтальные каналы воздушного охлаждения лопасти, 33 - вертикальный канал воздушного охлаждения лопасти.
Фигура 5 - вид РД справа, со стороны мотора, и фигура 6 - вид слева, со стороны компрессора, где изображены шестерни и подшипники на валах, головка камеры сгорания, часть системы уплотнений, патрубки каналов охлаждения и выпуска отработанных газов и масляный насос.
Фигура 7 - система смазки и масляного охлаждения, где 18, вал малого ротора мотора и ротора сжатия компрессора, 6 - канал масляного охлаждения малого ротора и компрессора, шнек системы масляного охлаждения 33, масляный радиатор 34, масляный насос 35, правый масляный картер 36 и левый масляный картер 37. Правый и левый масляные картеры соединены между собой и являются сообщающимися сосудами.
Система смазки и масляного охлаждения РД работает следующим образом.
В процессе работы РД от одного из его валов приводятся во вращение шестерни масляного насоса 35, который закачивает масло из одного из картеров РД и по трубопроводу подает его в радиатор 34. Далее, пройдя через радиатор, охлажденное масло подается в другой картер и попадает на шнек системы масляного охлаждения 33, представляющий собой винт Архимеда. Шнек системы масляного охлаждения, закрепленный в канале 6 вала малого ротора и компрессора 18, вращается вместе с валом и проталкивает масло по каналу 6, которое и охлаждает вал малого ротора и компрессора 18, а также роторы, находящиеся на нем. В систему смазки также входит распределитель масла, предназначенный для подачи масла к подшипникам и масляный фильтр (на чертежах и в описании представлены).
Фигура8 - схема работы РД на углеводородном топливе с добавлением водородно-кислородной смеси, полученной в процессе электролиза воды или другого способа ее разложения. При этом кроме самого РД присутствует электролизер 39, представляющий из себя диэлектрическую емкость, заполненную водой, в котором расположены металлические пластины с присоединенными к ним электрическими проводами, а также электронный блок управления 38 для создания сигнала, подаваемого на пластины электролизера, водяной замок 42, расширительный бак с водой 41. Вместо электролизера может быть применено иное устройство, выполняющее функцию разложения воды, действующее на иных физических принципах, например акустическом, радиоволновом или световом.
Во время работы РД при повороте ключа зажигания 40 от аккумулятора автомобиля или от внешней электрической сети через блок управления 38 на пластины электролизера или иного устройства, предназначенного для производства водородно-кислородной смеси, подается электрический ток или какой-либо иной сигнал. В электролизере начинает происходить процесс с обильным выделением смеси водорода и кислорода, которая подается в компрессор РД.
Компрессор через канал 24 закачивает водородно-кислородную смесь и воздух в область своего вращения и через канал 28 нагнетает ее в отделяемую камеру сгорания 9, в которую также впрыскивается углеводородное топливо, где от свечи зажигания 15 происходит воспламенение. Сгорая, углеводородное топливо и водородно-кислородная смесь производят большое количество энергии в виде перегретого пара и выхлопных газов, которые по каналу 4 попадают в область вращения ротора с лопастями 21 и двигают его. Выпуск производится через выпускной канал 10. При этом расход углеводородного топлива уменьшится на 30-50%.
Процесс работы РД с использованием углеводородного топлива поделен на три фазы: фигура 11 - фаза сжатия, фигура 12 - фаза горения, фигура 13 - фаза расширения и осуществляется следующим образом:
Стартер через один из валов РД приводит во вращение роторы двигателя, далее:
Фаза сжатия (фигура 11): лопасть «В» (23) компрессора, через канал 24, закачивает воздух, который сжимается лопастью «А» (23) компрессора. При этом, в результате взаимного вращения ротора сжатия 22 и вспомогательного ротора компрессора 25, сжатый воздух через воздушный канал компрессора 26, а также через нагнетательный канал компрессора 28 попадает в отделяемую камеру сгорания 9. После перекрытия нагнетательного канала 28 боковой поверхностью вспомогательного ротора компрессора 25 и радиальной поверхностью малого ротора мотора 2 диффузора 20 камеры сгорания через канал 14 производится впрыск топлива и его воспламенение от электрической свечи 15.
Фаза горения (фигура 12): в течение некоторого времени происходит горение топлива в условиях относительно замкнутого объема. Условия относительной замкнутости объема сохраняются, пока поворачивающийся малый ротор мотора 2 не примет положение, при котором диффузор 20 начнет совмещаться с каналом 4, образуя огневой канал, включающий в себя диффузор 20, камеры сгорания 9 и канал 4 малого ротора мотора 2, через который происходит выброс реактивной струи.
Фаза расширения (фигура 13): струя горячих газов, попадая в сектор расширения мотора 21, производит усилие на лопасть мотора 5, придает ему крутящий момент. Далее, движущаяся лопасть мотора 5 пересекает канал выпуска отработанных газов 10, где вследствие более высокого давления отработанных газов по сравнению с атмосферным давлением происходит выпуск. Далее весь цикл повторяется.
Для охлаждения лопастей ротора мотора и повышения давления газов в секторе расширения мотора 21 (фигура 1) присутствует паровая фаза, для этого через канал 27 в область вращения ротора с лопастями мотора 3 впрыскивается вода, что будет способствовать повышению КПД и моторесурса двигателя.
Далее (фигура 9) движущаяся лопасть мотора 5 проходит через сектор охлаждения лопасти 13, в котором имеется проточка 19, увеличивающая в этом секторе радиус области вращения ротора с лопастями 3 мотора. Туда же перед лопастью ротора мотора через канал охлаждения лопастей 12 от нагнетающей турбины 43 подается охлажденный воздух, который, проходя через отверстия 33 и 43 (фигура 4), осуществляет охлаждение лопасти. Проточка 19 сектора охлаждения лопастей 13 пропускает часть воздуха мимо движущейся лопасти, также способствуя охлаждению лопастей ротора мотора с лопастями и препятствуя сжатию им газов во время возвратного движения. То есть ротор мотора участвует только в расширении горячих газов и не участвует в сжатии.
Турбина 43 может приводиться во вращение как выхлопными газами РД, так и через приводной ремень, вал или от электродвигателя.
Представленная конструкция состоит из корпуса, состоящего из нескольких частей, а также двух частей, расположенных по обеим сторонам РД, выполняющих роли масляных картеров, в которых находятся выходы валов с находящимися на них подшипниками, торцевыми уплотнительными системами и шестернями. В конструкции РД не применяются прокладочные уплотнения частей корпуса. Все части корпуса соединены между собой болтами, а герметизация всех его частей осуществляется системой уплотнений 16, представляющей из себя сеть канавок, имеющих выходы за пределы корпуса РД, через которые после сборки двигателя производится закачка герметизирующего вещества, например термостойкого силикона. Также в корпусе расположены три вала. Причем малый ротор мотора 2 и ротор сжатия компрессора 22 имеют общий вал 18, связанный через шестерню с ротором мотора с лопастями 3 и валом вспомогательного ротора компрессора 25.
В описании приведена конструкция, состоящая из одной секции мотора и одной секции компрессора, находящихся на трех валах, в которой рабочий ход происходит каждые 180 градусов поворота вала ротора мотора с лопастями 17. Кроме представленной конструкции возможны и другие - с большим или меньшим числом валов, секций моторов и компрессоров, с большим количеством камер сгорания, лопастей и полостей на роторах, а также конструкция с одной лопастью на роторе мотора 3 и одной полостью на малом роторе 2.
РД может работать в разных режимах: усиленном, при котором за один оборот вала происходит два рабочих такта, а также при всевозможных экономичных режимах, когда осуществляется пропуск одного или сразу несколько рабочих тактов, что позволит уменьшать обороты валов двигателя и его мощность в зависимости от требуемой нагрузки.
В экономичном режиме применяется декомпрессионный клапан 42 (фигура 2), который расположен в секции компрессора и соединен с выпускным каналом секции мотора 10 (фигура 1). Декомпрессионный клапан, предназначенный для выпуска воздуха, закачанного компрессором, не используемого при экономичном режиме РД, препятствуя его сжатию и нагнетанию в камеру сгорания, что будет способствовать уменьшению насосных потерь при экономичных режимах работы РД.
В конструкции РД применена схема с использованием роторов разного диаметра и идентичных между собой шестерен, поэтому оси и их шестерни вращаются с одной скоростью, а их роторы - с разными скоростями относительно друг друга.
Получить такие возможности позволяет представленная конструкция РД, в которой отсутствует контакт между вращающимися роторами, при одинаковой скорости вращения их осей, и кроме этого, позволяет увеличить плечо крутящего момента при рабочем ходе, уменьшить насосные потери при сжатии воздуха, также варьировать с протяженностью хода расширения газов по отношению к ходу сжатия.
То есть радиально расположенные точки (на окружностях) разных роторов, имеющих разные диаметры и находящихся на разных валах, не имеющих контакта между собой, связанные идентичными шестернями, проходят разный путь за одинаковый угол поворота вала ротора и так как контакт отсутствует, ротор с большим диаметром «обгоняет» меньший ротор. Пояснение представлено на фигуре 15, где при повороте на 20 градусов видно, что отрезок CD короче отрезка EF, т.е. роторы вращаются с разными угловыми скоростями.
По сравнению с аналогом представленная мною конструкция обладает несколькими значительными преимуществами:
1. Более выражена фаза сжатия воздуха.
2. Более удобен и надежен способ зажигания от обычной искровой электрической свечи.
3. Впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания более экономичен, чем в предыдущей конструкции.
4. В данной конструкции сжимается воздух, а не топливная смесь, что более экономично, чем в аналогичной конструкции.
5. Сгорание топливной смеси происходит в отделяемой камере сгорания, имеющей постоянный объем, что более эффективно.
6. В данной конструкции возможно достижение высокого значения сжатия, что сделает возможным работу двигателя по дизельному циклу.
7. В конструкции РД применена паровая фаза, которая осуществляется впрыском воды в область расширения горячих газов, что также положительно скажется на эффективности РД и охлаждении его внутренних частей.
8. Данная конструкция ДВС позволяет на двух и более валах разместить по несколько секций мотора и компрессора.
9. Конструкция позволяет РД работать на углеводородном топливе совместно с водородно-кислородной смесью, полученной электролизом воды или иным способом.
10. В представленной конструкции РД все роторы имеют разные диаметры и вращаются на осях с разными угловыми скоростями, причем они имеют зацепление через идентичные шестерни, и так как отсутствует контакт между роторами, соблюдается их полная синхронизация. Это позволяет значительно увеличить плечо крутящего момента при расширении горячих газов и уменьшить насосные потери при сжатии, также значительно увеличить протяженность хода расширения, по сравнению с ходом сжатия. То есть, так как отсутствует контакт между роторами и при повороте всех роторов на определенный градус, то точка на окружности большего ротора проходит больший путь, чем точка на окружности меньшего ротора меньшего радиуса, или, другими словами, больший ротор «обгоняет» меньший ротор, сохраняя при этом полную синхронизацию, что скажется на повышении КПД двигателя.
11. Конструкция имеет три рабочих вала, что дает возможность минимизировать паразитные объемы и повысить степень сжатия без увеличения механических потерь.