КОМБИНИРОВАННЫЙ РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
COMBINED ROTARY PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве привода в различных машинах, стационарных и передвижных энергетических установках в автомобильной, тракторной, электроэнергетической и других отраслях промышленности, связанных с изготовлением и эксплуатацией различных транспортных средств и силовых установок. Изобретение объединяет в один механизм поршневой двигатель внутреннего сгорания, роторный двигатель внешнего сгорания и центробежный вытяжной насос.
Известны поршневые ДВС с дополнительной турбиной, отдающие мощность на коленчатый вал, - в этой схеме энергия отработавших газов поршневого ДВС совершает работу в газовой турбине, которая посредством механической передачи поступает на коленчатый вал поршневого двигателя. То есть часть процесса расширения происходит в лопаточной машине (газовой турбине). К достоинствам схемы следует отнести преобразование энергии отработавших газов в механическую, что позволяет повысить КПД агрегата. К недостаткам следует отнести сложность согласования моментно-скоростных характеристик поршневого ДВС и газовой турбины (для этих целей приходится применять гидротрансформатор). Наилучшие результаты достигаются при работе поршневого ДВС при высоких давлениях наддува (от приводного компрессора или турбокомпрессора). На практике такая схема (под торговой маркой Turbo Compound) используется в двигателях большегрузных автомобилей Scania.
Так как при масштабировании массогабаритных параметров турбины в сторону уменьшения ТТХ (тактико-технические характеристики - совокупность количественных характеристик единицы техники описывающих ее возможности) турбины резко ухудшаются, значительно снижается удельная мощность, падает КПД, при том что дороговизна изготовления и высокие обороты главного вала (потребность в редукторе) остаются, то такая, так называемая, компаудная схема нашла некоторое распространение только в больших двигателях для большегрузных грузовиков и судов.
Снижение характеристик турбины при уменьшении ее размеров описывается характеристическим коэффициентом Парсонса, который характеризует окружной КПД турбины в целом и который возрастает с увеличением числа ступеней, диаметра дисков и частоты вращения вала турбины. Таким образом, два параметра коэффициента Парсонса - «число ступеней» и «диаметр дисков» напрямую пропорциональны линейным размерам турбины.
Известен двигатель британской фирмы «Ilmor Engineering», представленный на выставке «Engine EXPO 2009», пятитактный ДВС, который можно применить на автомобиле. Три цилиндра 5-тактного двигателя внутреннего сгорания имеют разный внутренний диаметр. Меньшие (высокого давления) - первый и третий - работают по обычному четырехтактному циклу. Средний (низкого давления) использует остаточное расширение отработавших газов из меньших цилиндров в двухтактном режиме. Недостатком этой системы следует считать существенное усложнение конструкции двигателя из-за размещения дополнительного цилиндра.
В роторных ДВС необходимость цикла сжатия приводит или к необходимости эксцентрического вращения ротора вокруг вала (двигатель Ванкеля), что, общепризнано, приводит к многочисленным недостаткам такого рода двигателей, или для обеспечения планетарного вращения ротора приходится выносить камеру сгорания, куда выдавливается сжимаемая ротором смесь и где происходит зажигание смеси, за приделы рабочей камеры двигателя, в которой происходит вращение ротора (патенты RU 2161708, RU 2163678). Что в свою очередь приводит к усложнению конструкции, снижению характеристик смеси и падению компрессии в камере сгорания, и, как следствие, к потерям мощности, что является существенными недостатками этих двигателей.
Иными словами, поршневой ДВС хорошо отрабатывает цикл сжатия, но теряет мощность при преобразовании поступательных движений поршней во вращения вала, роторные ДВС хорошо крутят вал, но плохо отрабатывают цикл сжатия.
Поэтому логично использовать ротор как двигатель внешнего сгорания, рабочее тело для которого поставляет поршневой ДВС.
Известны роторные двигатели внешнего сгорания, например роторный двигатель с уплотнительными заслонками, которые движутся, совершая возвратно-поступательные движения в корпусе роторного двигателя.
В представленном изобретении отработанные газы поршневого ДВС отводятся в находящийся с ним на одном валу роторный двигатель. Таким образом, вал двигателя проворачивается под воздействием как движения поршней в цилиндрах поршневого ДВС, в которых происходит сгорание топлива, так и под воздействием на лопатки ротора давления отработанных газов из поршневого ДВС.
Использование ротора вместо турбины или цилиндра низкого давления позволит создать комбинированные двигатели широкого диапазона и литража, в том числе и малолитражные, в отличие от двигателей Turbo Compound, и не вносить изменений в конструкцию поршневых ДВС, как в случае двигателя Ilmor Engineering.
Отработанные газы из поршневого ДВС отводятся в рабочую камеру роторного двигателя, объем которой превышает рабочий объем цилиндра поршневого ДВС настолько, чтобы в конце рабочего цикла давление газов в рабочей камере роторного двигателя было ниже атмосферного (в зависимости от типа поршневого ДВС в 3-6 раз), что дает максимальное использование остаточной энергии выходных газов.
Отработанные газы в конце рабочего цикла из роторного двигателя удаляются центробежным насосом приводимым в движение общим рабочим валом поршневого ДВС и роторного двигателя.
На Фиг. 1, Фиг. 2 представлена схема и соотношение основных элементов комбинированного роторно-поршневого двигателя: поршневой двигатель, роторный двигатель, вытяжной центробежный насос, рабочий вал гибридного двигателя.
На Фиг. 3 представлена схема отвода отработанных газов из поршневого двигателя в соосный с ним роторный двигатель, где поршневой двигатель представлен в продольном разрезе, а роторный двигатель в поперечном сечении.
На Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 представлены основные элементы роторного двигателя и последовательно циклы его работы.
На Фиг. 7 представлено поперечное сечение роторного двигателя.
На Фиг. 8 представлено поперечное сечение вытяжного центробежного насоса.
На Фиг. 9 представлена схема отвода отработанных газов из поршневого двигателя в соосный с ним роторный двигатель, где поршневой двигатель и роторный двигатель представлены в продольном разрезе.
Комбинированный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из поршневого ДВС с рабочим валом - 1, рабочим поршнями - 2 и 3, клапанами выпуска отработанных газов из цилиндров поршневого ДВС - 4, коллектора отвода отработанных газов - 5, входов коллектора отработанных газов в рабочую камеру ротора - 6, ротора - 7, корпуса рабочей камеры роторного двигателя - 8, корпуса внешней камеры вокруг роторного двигателя и вытяжного центробежного насоса - 9, находящегося на одном рабочем валу с поршневым двигателем и ротором вытяжным насосом - 10, выходных отверстий для отработанных газов из рабочей камеры роторного двигателя - 11, задвижек, формирующих в рабочей камере роторного двигателя между ними и лопатками (крыльями) ротора рабочие области давления на лопатки (крылья) ротора отработанных газов - 12, возвратных пружин задвижек - 13.
Работа комбинированного роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом.
Лопатки (крылья) ротора 7 и задвижки 12 разбивают объем рабочей камеры роторного двигателя на четыре зоны. Две зоны a1 и а2, включающие в себя входы коллекторов отработанных газов 5 через отверстия 6 в рабочую камеру роторного двигателя, и две зоны b1 и b2, включающие в себя отверстия для выхода отработанных газов 11, Фиг. 4.
Отработанные газы из поршневого ДВС, выходящие последовательно из цилиндров 2 или 3, через коллектор отработанных газов 5, поступают через отверстия 6 в зоны a1 и а2. В зонах a1 и а2, таким образом, возникает повышенное давление. Одновременно в зонах b1 и b2, из-за работы соосного с поршневым двигателем и роторным двигателем вытяжного насоса 10, возникает пониженное давление.
Таким образом, ротор 7 испытывает давление на плоские части лопаток и получает импульс к вращению, вращает вал двигателя 1 общего с поршневым ДВС, увеличивая мощность и КПД всей системы, Фиг. 5.
По мере движения ротора 7 задвижки 12 сдвигаются внутрь корпуса роторного двигателя или от давления на них ротора дугообразными сторонами своих лопаток (крыльями), или посредством механизма синхронизации. При достижении лопатками (крыльев) ротора 7 отверстий 11 происходит удаление газов из рабочей камеры ротора, Фиг. 6.
При дальнейшем вращении ротора происходит полное выдавливание задвижек 12 за пределы рабочей камеры роторного двигателя, так что они не мешают лопаткам (крыльями) ротора 7 занять исходное положение, после чего давление тела ротора 7 на задвижки 12 прекращается и возвратные пружины 13 возвращают их обратно, формируя зоны a1 и а2.
Ротор возвращается в положение Фиг. 4, которое можно назвать верхней мертвой точкой ротора, и готов принять выхлоп газов от следующего цилиндра, сопряженного и синхронизированного с ним, поршневого ДВС.
Отработанные газы через отверстия 11 попадают в область, ограниченную корпусом внешней камеры вокруг роторного двигателя и вытяжного насоса 9, откуда удаляются вытяжным центробежным насосом 10, соосным с валом двигателя 1.