ПАРОДИЗЕЛЬ
STEAM-POWERED DIESEL

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к двигателестроению.
Известно устройство роторного ДВС с впрыском ОРС (охлаждающей рабочей среды) в камеру сгорания двигателя [1].
К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно сложный узел для подачи ОРС в камеру сгорания.
Вторым существенным недостатком следует считать то обстоятельство, что большой объем ОРС поступает в камеру сгорания двигателя, что отрицательно сказывается на процессе сгорания.
Целью изобретения является упрощение узла для подачи ОРС в ДВС, а также подачи ОРС непосредственно в камеру расширения.
Указанная цель достигается следующим образом.
Согласно изобретению ОРС подается непосредственно в камеру расширения ДВС через осевой канал штока выпускного клапана, при этом в тарелке выпускного клапана содержится распылитель. При этом впрыск ОРС происходит при постоянном давлении, на участке поворота вала на угле от ϕ1 до ϕ2°, и регулируется устройством-отсекателем. Начало впрыска совпадает с моментом открытия выпускного клапана, а момент закрытия поступления ОРС зависит от режима работы (мощности) двигателя. Т.е. чем выше развиваемая мощность двигателя, тем больше угол подачи ОРС, тем больше количество поданного ОРС. С этой целью схема подачи ОРС в ДВС снабжена гидрофором, обеспечивающим постоянное давление ОРС, а также отсекателем - устройством, прекращающим подачу ОРС в камеру расширения, в зависимости от мощности ДВС. Т.е. от положения рейки привода ТНВД - топливного насоса высокого давления.
2
Давление в НСД - в насосе среднего давления, являющемся элементом гидрофора, обеспечивает постоянное давление ОРС на входе в ДВС и имеет значение, превышающее максимальное значение цикла Pz на 10-20 кг/см.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен общий вид роторного ДВС на основе РКМ [2] с двумя кольцевыми камерами.
На Фиг. 2 представлен разрез А-А, на котором кольцевая камера разделена на секции высокого и низкого давления, с помощью головки толкателя.
На Фиг. 3 представлен разрез А-А, на котором поршень проходит над головкой толкателя.
На Фиг. 4 представлен ротор ДВС. Для наглядности ротор выполнен в аксонометрии, без четверти.
На Фиг. 5 представлена схема камеры сгорания с тарелками и штоками впускного и выпускного клапанов.
На Фиг. 6 представлена нижняя часть толкателя - вилка с роликами.
На Фиг. 7 представлены чертежи вилки, скобы и пружины толкателя.
На Фиг. 8 представлена схема сил, действующих на головку толкателя.
На Фиг. 9 представлен поршень ротора.
На Фиг. 10 представлен профиль отрицательного кулачка (синусоида).
На Фиг. 11 представлены основные размеры деталей ДВС.
На Фиг. 12 представлена головка толкателя.
На Фиг. 13 представлены детали узла подачи ОРС в ДВС.
На Фиг. 14 представлена схема подачи ОРС в ДВС при постоянном давлении, в зависимости от мощности двигателя.
На Фиг. 15 представлена индикаторная диаграмма ДВС, без подачи ОРС.
На Фиг. 16 представлена индикаторная диаграмма ДВС, с подачей ОРС.
Устройство роторного ДВС.
Роторный ДВС содержит цилиндрический корпус 1, жестко закрепленную к нему боковую часть корпуса 2 с цилиндрическим выступом, с образованием кольцевой камеры 3, в которой расположены поршни 4 ротора 5, жестко закрепленного с валом 6. К валу жестко крепятся профилированные диски 7 с отрицательными кулачками 8, воздействующими на подпружиненные толкатели 9, с головками 10 и роликами 11, установленными в вилке 12. В цилиндрическом корпусе установлен канал входа 13 для атмосферного воздуха и канал выхода 14 для удаления продуктов сгорания. В камере сгорания 15 установлена форсунка, а также впускной 16 и выпускной 17 клапаны. В штоке 18 выпускного клапана, установленного в гильзе 19, содержится осевое отверстие 20, а также радиальные отверстия 21 с канавкой 22, выполненные с возможностью периодического соединения осевого отверстия штока с каналом подвода 23 ОРС. В тарелке 24 выпускного клапана установлен распылитель 25. Перед каналом подвода ОРС содержится гидрофор, на выходе из гидрофора содержится отсекатель подачи ОРС, работа которого связана с положением рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД).
Работа пародизеля
При вращении ротора 5 с двумя оппозитно расположенными поршнями 4 в кольцевой камере 3, образованной цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрическим выступом боковой части корпуса 2, головка 10 толкателя 9 совершает колебательное возвратно-поступательное движение в радиальном направлении, под действием пружины. В общем случае, вершина головки толкателя прижата к внутренней образующей цилиндрического корпуса, разделяя тем самым кольцевую камеру на отдельные секции - секции высокого и низкого давления. При прохождении поршня над головкой толкателя 10 толкатель 9 "проваливается" в профиль отрицательного кулачка 8, содержащегося в профилированном диске 7, жестко закрепленного на валу 6, под действием пружины пропуская над собою поршень, и вновь занимает исходное положение. При этом ролик 11 толкателя, выполненный в виде подшипника, расположенный в вилке 12, обеспечивает безотрывный и безударный характер взаимодействия кинематической пары "ролик толкателя - отрицательный кулачок", поскольку поршень и отрицательный кулачок выполнены и установлены на одном и том же угле ϕ. При вращении ротора в левой части ДВС происходит процесс "всасывания" атмосферного воздуха (сзади поршня) и "сжатия" воздуха с последующим нагнетанием при постоянном давлении, в камеру сгорания (перед поршнем). Одновременно, в правой части ДВС происходят процесс "расширения (рабочий ход" сзади второго поршня и процесс "вытеснения продуктов сгорания" перед вторым поршнем. При этом впускной клапан камеры сгорания открыт только лишь для заполнения камеры сгорания сжатым воздухом и не нуждается в устройстве для управления процессом "открытие - закрытие".
Выпускной клапан открывается автоматически в конце сгорания топлива и принудительно удерживается в открытом состоянии до закрытия впускного клапана.
Поскольку ДВС снабжен двумя оппозитно расположенными поршнями, в камеру сгорания поступает очередная порция сжатого воздуха через каждый поворот вала на 180°, двигатель работает одновременно с четырьмя порциями рабочей среды (воздуха), такты над которыми смещены на 180°, при этом весь цикл над одной порцией рабочей среды совершается за поворот вала на угол 360°.
2
2
2
2
С учетом описания к Патенту РФ №2035651, движение толкателя роторного ДВС описывается дифференциальным уравнением вида у''+kу=0, частным решением которого является функция y=csinkx. Для обеспечения возможности расчетов заменим выражение k=a/m на его значение из формулы F=ma. Получим выражение k=F/m, или k=√F/m. Размерность - 1/с.
Определяем максимальную скорость вращения n ДВС.
мах
За 1 Гц толкатель совершает одно возвратно-поступательное движение в радиальном направлении. При этом вал поворачивается на угол ϕ, равный углу, на котором расположен поршень двигателя. Следовательно, n=ϕk. Размерность - град/с.
мах
Для перехода к общепринятой размерности - об/мин выражение n следует умножить на коэффициент 60/360=1/6. Окончательно:
мах
n=ϕk/6
Достоинства предложенного технического решения
Достоинства предложенного изобретения заключается в том, что
а. ОРС подается непосредственно в камеру расширения, что не оказывает отрицательного влияния на процесс сгорания топлива,
б. упрощается узел подачи ОРС в ДВС,
в. упрощается регулировка подачи ОРС в двигатель.
В качестве примера приведен расчет основных деталей и параметров пародизеля.
Принимаем:
1. Внешний радиус кольцевой камеры (к.к) R1=25 см, D1=50 см.
2. Внутренний радиус кольцевой камеры R2=22,4 см, что равно высоте h.к.к. = 2,6 см.
Определяем длину окружности Lк.к. Lк.к. = πD1 = 3,14*50=157 см.
Определяем длину поршня Lп=40°.
Примечание. Угловая длина поршня Lп равна двум углам опережения впрыска топлива.
3. Угол опережения - 20°. Длина поршня - Lп=40°. Lп=157*40/360=17,5 см.
Определяем диаметр тарелок клапана Dкл. - впускного и выпускного (а также ширину кольцевой камеры Dк.к), где μ - ширина перемычки между поршнями. См. Фиг. 5.
4. μ=1,5 см Lп=2Dкл+μ. Dкл=(Lп-μ)/2. Dкл=(17,5-1,5)/2=8 см. Rкл=4 см.
Определяем объем одной кольцевой рабочей камеры.
2
2
2
2
3
Vк.к.=π(R1-R2)D=3,14(25-22,4)8=3097 см.
Определяем объем камеры всасывания/сжатия = V2 как половину от Vк.к.
3
V2=0,5Vк.к.=3097/2=1549 см≈1.56 л.
5. Степень сжатия ε=12.
С учетом того, что корпус двигателя не испытывает бокового давления со стороны поршня,  сжатие происходит практически по адиабате.
2
6. Рс=30 кг/см. При показателе политропы n=1,37.
2
7. Рz=45 кг/см. (На индикаторной диаграмме дизеля Р-ϕ°).
3
Определяем объем камеры сгорания Vк.сг по формуле V3+Vк.сг=εVк.сг Vк.сг=V3(ε-1)=1549/11≈141 см.
Определяем площадь камеры сгорания Sк.сг (см. Фиг. 5) по формуле
2
2
2
Sк.сг=πrкл+Dкл(Dкл+μ)=3,14*4+8(8+1,45)=50,26+75,6=125,86 см.
Определяем высоту камеры сгорания h.к.сг=Vк.сг/Sк.сг=143/125,86=11,36 мм.
Расчет параметров толкателя
Задаемся величиной угла α при вершине головки толкателя. В идеальном случае, когда угол α при вершине головки толкателя образован касательными к синусоиде (профилю поршня), создается минимальный объем мертвого пространства между поршнем и головкой толкателя.
В этом случае профиль головки толкателя образуется касательными, проходящими из крайней точки поршня к точке перегиба профиля поршня.
Примечание 1. Профиль поршня не является эквидистантой по отношению к профилю отрицательного кулачка, а кривой, с учетом диаметра ролика толкателя.
Примечание 2. Профиль поршня - кривая, выполненная в полярных системах координат.
Принимаем угол α при вершине головки толкателя = 110°.
Определяем ширину толкателя L.
L/2=tgα/2*h=tg55*2,6=1,428*2,6=3,7 см, L=7,4 см.
Расчет диаметра профилированного диска
Согласно чертежу головка толкателя периодически совершает возвратно поступательные движения в радиальном направлении на величину амплитуды С синусоиды, т.е. 26 мм. В этом случае высота направляющих, в которых движется головка толкателя, будет равна (26+26)=52 мм. Разницу в радиусе между приливами, в которых размещена головка толкателя, и радиусом профилированного диска принимаем 5 мм.
Таким образом, радиус профилированного диска Rпр.д. = 250-(3×26+5)=167 мм.
Поскольку поршень и отрицательный кулачек выполнены на одном и том же центральном (полярном) угле в 40°, а длина поршня равна 1 мм, определим длину отрицательного кулачка (расстояние между двумя вершинами синусоиды) как отношение Loт.к=167*175/250≈117 мм.
Расчет сил, действующих на толкатель
На головку толкателя (слева) действует сила F1=Pc*S, а справа - сила F2=Pz*S. Обе силы действуют попеременно и направлены по нормали к наклонным поверхностям головки толкателя. Со стороны пружины на ролик толкателя также действует сила Fпр.
Вычислим абсолютное значение радиальной составляющей силы F2rad.
F2rad=L/2*D*Pz=3,7*8*45=1541 kг.
F2t - силу, действующую на боковую поверхность головки толкателя, определяем по формуле F2t=F2rad*tg35°=1541*0,7=1079 кг.
Давление на боковую поверхность головки толкателя Р определяем по формуле
2
P=F2t/S=1079/(3,7*8)=1079/29,6=36,5 кг/см.
В качестве ролика толкателя выбираем подшипник NA6901.
Характеристики: d×D×B=12×24×22 (мм). С=1610 кг. М=0,046 кг.
На долю Fпp. приходится: Fпр. = 1610-1541=69 кг.
Примечание 1. Отношение длины Loт.к/h равно 117/26=4,5.
Примечание 2. Диаметр ролика dрол. = 24 мм, меньше хода толкателя h=26 мм.
Расчет максимального числа оборотов
2
Движение толкателя описывается формулой y=Csinkx, где k=a/m. Заменим а на F/m.
2
2,
В этом случае k=F/m k=√F/m. Размерность k=1/с.
С учетом того, что ϕ-центральный угол, на котором выполнен поршень, максимальную скорость вращения можно определить по формуле nmax=ϕk. (град/с).
Для перевода размерности (град/с) на обычное выражение - об/мин следует ввести поправочный коэффициент 60/360=1/6.
В окончательном варианте nmax=ϕk/6 (об/мин).
Применительно к настоящему варианту расчета принимаем:
ϕ=40°. k=√F/m. F=√1610=40,12. Принимаем m=10М=0,44 кг, k=40,12/0,44=91.18/c. nmax=40*91,18/6≈s608 об/мин.
Примечание. Для снижения значения m, т.е. массы толкателя в сборе и тем самым - повышения числа оборотов (мощности) ДВС, рекомендуется все детали толкателя (головку толкателя, вилку, полый шток, а также ось подшипников) выполнить из сплавов на основе титана и алюминия.
Ниже приводятся размеры основных деталей и принципиальная схема газораспределения пародизеля, конструкция которого выполнена на основе трехзвенного роторно-кулачкового механизма (РКМ), описанного в патентах РФ №2035651 и №2601493.