СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF ROTARY ENGINE OPERATION

Область техники: Изобретение относится к сфере двигателестроения, а именно к области роторных двигателей 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 поршня.
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", Москва. "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 с объемным расширением рабочей камеры (в которых на сегодняшний момент степень сжатия равна степени расширения) характеризуются высокими начальными параметрами давления и температуры рабочих газов в процессе сгорания сильно сжатой Рабочей Смеси в малом запертом объеме. Но эти двигатели не обеспечивают высокоэффективной работы этих газов из-за низкой степени расширения, обусловленной несовершенством кривошипно-шатунного кинематического механизма (КШМ), используемого для преобразования потенциальной энергии давления газов горения в механическую энергию вращения вала. В поршневых ДВС степени сжатия и расширения равны, но после сгорания заряда сжатой Рабочей Смеси давление продуктов сгорания повышается еще в несколько (4-5) раз, при этом в камере расширения не обеспечивается их расширения до атмосферного давления и они, имея высокое давление и температуру, выбрасываются из двигателя. Следовательно - двигатели с объемным расширением рабочей камеры имеют высокие начальные параметры рабочего тела (газов горения), но и так же имеют весьма высокие параметры рабочего тела на выходе из двигателя.
Но по законам термодинамики тепловой двигатель, который будет иметь высокий термодинамический КПД, т.е. будет наиболее эффективно использовать энергию горения топлива, должен иметь высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температуру) и низкие конечные такие параметры. Как было изложено выше, ни один из типов современных двигателей это условие не обеспечивает.
Один из главных недостатков современных типов двигателей заключается в том, что, конструкции всех применяемых на сегодня в широкой технической практике двигателей внутреннего сгорания, лишь только частично переводят в полезную работу потенциальную энергию высокого давления газов горения паров топлива, но не дают возможности переводить в полезную работу внутреннюю энергию продуктов сгорания паров топлива в виде их высокой температуры. То есть во всех существующих ныне конструкциях двигателей внутреннего сгорания на выхлоп идут газы при температуре от 800 до 1100 C°.
По этой причине тепловой баланс современного двигателя внутреннего сгорания в среднем варианте конструктивного исполнения получается таким:
30% - тепло, переводимое в полезную работу;
30% - тепло, отводимое во вне через систему охлаждения;
40% - тепло, отводимое во вне с выпуском отработавших газов горения;
Т.е. средний термодинамический КПД современных двигателей внутреннего сгорания не превышает 30-35%.
Инженерная мысль все время пытается предлагать различные способы получать полезную работу из высокой температуры газов горения. Уже давно предлагалось впрыскивать воду в камеру сгорания во время такта «горение-расширение», чтобы высокая температура газов горения переводилась при испарении воды в повышенное давление перегретого пара. При этом общая температура паро-газовой смеси, которая должна получаться при этом процессе, резко должна снижаться, а ее давление при этом должно значительно повышаться. Например, такой процесс в поршневых двигателях предлагалось использоваться патентом США 2,671,311, который был выдан еще в 1954 году. Похожим путем предлагает идти автор российского патента 2092701 который для осуществления похожего по своей технологической сути процесса предлагает впрыскивать в цилиндр поршневого двигателя воду через отверстие в боковой поверхности цилиндра.
Однако такие многочисленные попытки создать поршневой двигатель внутреннего сгорания с высоким КПД обречены на неудачу, ибо во всех этих изобретениях предполагается впрыскивать воду в рабочую камеру двигателя во время такта «горение - расширение», когда идет горение в цилиндре заряда Рабочей Смеси. Появление же во время этого процесса горения в объеме цилиндра значительного содержания водяного пара и падение общей температуры в цилиндре практически сводят на нет горение еще не сгоревшей части паров топлива, что ведет к значительному ухудшению топливной эффективности таких двигателей. В традиционных поршневых двигателях и в роторно-поршневых двигателях (двигатель Ванкеля) даже в обычных условиях горение заряда Рабочей Смеси в процессе такта «горение- расширение» происходит весьма неполноценно, и течение такого неполноценного процесса всегда приводит к наличию в выхлопных газах значительной доли не сгоревших элементов топлива. Поэтому вводить в процессе такта «горение- расширение» воду для образования пара и с целью значительного снижения температуры горящей Рабочей Смеси -значит заведомо ухудшать параметры течения и так изначально плохо протекающего процесса горения паров топлива. Т.е. при введении в процессе «горения - расширения» в цилиндр поршневого двигателя пара или воды резко ухудшало и тормозило процесс горения паров Рабочей Смеси. К тому же в процессе «горение - расширение» в цилиндре существует значительное избыточное давление, и для впрыска туда в этот момент воды или пара приходится применять сложную и дорогую аппаратуру высокого давления и тратить на ее работу значительную часть энергии двигателя. Попытки же использовать впрыск водя для парообразования на завершающем этапе хода «расширение» - когда горение паров топлива завершилось и давление в цилиндре уже не велико, не имеет смысла, так как путь рабочего хода для совершения работы паром остается минимальным и прибавка в величине КПД в этом случае будет незначительной.
Существуют попытки создать в поршневых двигателях отдельный паровой такт «расширение», когда после вытеснения в 4-м такте «выпуск» отработавших газов горения Рабочей Смеси, в цилиндр происходит впуск воды, которая затем превращается в пар от контакта с очень горячими поверхностями цилиндра и поршня. Этим путем идет создатель устройства по патенту США 20070022977. Но в этом случае вода превращается в пар только от нагрева от деталей двигателя, а главная часть температуры сгорания топлива- теряется в выпущенными отработавшими газами в выхлопную трубу.
Именно в свете вышеуказанных причин за более чем за 60 лет попыток ввести в технологический цикл ДВС дополнительный процесс впрыска воды, для образования пара высокого давления на этапе осуществления такта «горение -расширение», не увенчались заметным успехом.
Ближайшим аналогом заявляемого автором изобретения СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ является изобретение RU 2373408 «Способ работы теплового двигателя и его устройство», который оказывается попыткой ввести дополнительный процесс парообразования в такт горения и расширения роторного двигателя внутреннего сгорания с уплотняющими лопатками, совершающими возвратно-поступательные движения. В способе ближайшем аналоге предлагается впрыскивать воду в «предкамеру сгорания» и в «основную камеру сгорания - расширения» в момент, когда прошла часть (примерно половина) осуществления такта расширения. Считается, что это позволит превратить в пар от горячих газов горения эту впрыснутую воду, что даст повысить давление рабочих газов в секторе расширения и уменьшить там общую температуру. Тем самым повысить КПД двигателя и решить его проблему охлаждения.
Совпадающими существенными признаками между заявляемым изобретением и рассматриваемым ближайшим аналогом является стремление во время такта расширения за счет подаваемой воды превратить в высокое давление пара внутреннюю энергию отработавших газов горения высокой температуры и тепла от стенок деталей и элементов двигателя. Причем вода подается и в сегмент расширения (т.е. в основную камеру «сгорания - расширения») и в «предкамеру сгорания». Так же совпадающим признаком является понимание, что встраивать паровую фазу лучше всего не в поршневой, а роторный двигатель внутреннего сгорания.
Причинами, препятствующими в рассматриваемом аналоге достижению высокого технического результата, являются следующие недостатки данного способа работы двигателя:
- впрыск воды в камеру «сгорания - расширения» осуществляется на половине такта «расширение», когда его объем сегмента расширения увеличен лишь на половину от своего максимального значения. К этому моменту предполагается, что процесс горения (которому будет мешать впрыск воды) завершится. Но в это время давление рабочих газов горения в сегменте расширения будет еще достаточно большим. Именно поэтому для впрыска воды туда под значительным давлением придется применять сложное оборудование и тратить на его работу заметную часть мощности двигателя, что приведет в заметному снижению КПД такого двигателя;
- так как впрыск воды предполагается осуществлять на половине хода «расширение», т.е. когда лопасть ротора уже прошла половину пути расширения, то время контакта воды с горячими рабочими газами горения и горячими поверхностями элементов двигателя будет примерно в два раза меньше от максимально возможного. Т.е. в половину меньше от того значения времени контакта, если бы когда вода подавалась в самом начале такта расширения. А такое уменьшенное время контакта на теплообмен будет влиять на малую полноценность парообразования и передаче энергии тепла от горячих газов и элементов двигателя к пару и воде. Соответственно, КПД такого способа работы двигателя будет ниже максимально возможного;
- предполагается охлаждать камеры сгорания, что не вполне разумно. Так как по законам термодинамики работа теплового двигателя с максимальным КПД возможна при максимально высоком значении начальных параметров рабочего тела (газов горения). А достижение предельно высоких температур и давлений для газов горения возможны лишь при осуществлении горения Рабочей Смеси из паров топлива и воздуха в неохлаждаемой камере сгорания с очень горячими стенками;
Сущность изобретения: Задачей изобретения, которая реализована в этой конструкции, является создание высокоэффективного способа работы роторного двигателя внутреннего сгорания, с КПД более 50%, в котором появляется возможность просто, с минимальными затратами и с предельно малым усложнением конструкции встроить в технологический цикл двигателя паровую фазу расширения. Такая фаза должна превращать в работу расширения водяного пара большого давления высокую температуру газов горения в сегменте расширения и высокую температуру нагрева поверхностей сегмента расширения;
Поставленная задача изобретения решается через технологические особенности предлагаемого способа: СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Роторный двигатель для осуществления такого способа содержит окно подачи воды на самом начальном участке сектора «расширения - выпуска». А окно подачи в этот сектор горячих газов горения из камеры сгорания находится позже окна подачи воды (если отсчитывать по пути движения лопасти ротора).
Особенность изобретения - именно схема взаимного расположения окон подачи воды и горячих газов горения в секторе «расширения - выпуска» двигателя. При этом линия сегмента «расширение» делиться на две части: первая - малая часть, где за счет создаваемого лопастью ротора разряжения всасывается вода при атмосферном давлении, и вторая часть - большая часть, где в сегмент подаются горячие газы высокого давления.
Такое решение позволяет производить автоматическую подачу воды в сектор «расширения - выпуска» за чет разряжения, которое создает лопасть ротора на первом участке этого сектора. Т.е. вода туда будет подаваться за счет процесса эжекции при создании на этом участке сектора заметного разряжения, т.е. давления меньше атмосферного. Такой процесс не требует применения сложных устройств с потребностью подвода мощности со стороны для приведения их в действие.
Техническим результатом применения таких инженерных решений является максимальное упрощение способа и механизмов подачи воды в сектор «расширения - выпуска» при атмосферном давлении. А так же максимально возможная длительность контакта воды и образуемого ею пара с горячими газами горения и горячими поверхностями элементов двигателя для наиболее эффективной и максимально длительной организации процессов теплообмена между ними. В итоге получается способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания, который позволяет значительно повысить КПД, а соответственно и существенно увеличить значения удельной мощности и экономичности двигателей, использующих такой принцип. Впервые в рабочий цикл ДВС удается включить такт расширения с «встроенной» в него паровой составляющей. Это техническое решение будет переводить высокую температуру рабочих газов горения и температуру нагрева стенок секторов «расширения - выпуска» в работу пара высокого давления.
Таким образом способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания, состоящий из подачи воды для парообразования в сегмент расширения, отличается тем, что в сегмент расширения подается вода до начала такта «расширение газов горения», т.е. до начала процесса перепуска в сегмент расширения газов горения высокого давления и высокой температуры из камеры сгорания.
В СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реализация назначения заявленного способа возможна к осуществлению через новаторские особенности организации технологических процессов работы роторного двигателя внутреннего сгорания
На прилагаемых к данному разделу патентной заявки чертежах представлена {фигура 1) конструкция двигателя с центральным ротором {элемент 1), снабженным четырьмя лопастями пропускными выемками, и четырьмя запорными барабанами {элемент 2). Запорные барабаны делят внутренний кольцеобразный рабочий объем двигателя на четыре дугообразных сектора, два из которых оказываются секторами «впуска - сжатия» {элемент 4), а два - секторами «расширения - выпуска» {элемент 5). Та же на торцевых крышках устроены камеры сгорания {элемент 3), окна перепуска в сектор «расширения - выпуска» рабочих газов из камеры сгорания {элемент 6), окна впуска воды {элемент 7). Имеются так же другие окна газообмена, которые на чертеже не изображены.
В такой конструкции двигателя заявляемый изобретением СПОСОБ РАБОТЫ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ осуществляется следующим образом: исходное положение {фигура 1) - когда лопасти ротора находятся в пропускных проемах запорных барабанов, и лопасти роторов не делят четыре рабочих сектора двигателя на сегменты переменного объема.
Далее- при вращении ротора и запорных барабанов образуются герметичные камеры - рабочие сегменты. В том числе в секторе «расширения - выпуска» за лопастью ротора (относительно хода его движения) создается камера (сегмент) «расширения» в котором за счет его увеличивающегося объема на первом этапе создается разряжение. В этот начальный период {фигура 2) открыто окно подачи воды {элемент 7), откуда и подается в этот расширяющийся сектор вода. Она может засасываться через устройство типа «эжектор» без всяких специальных затрат энергии на привод этого механизма, либо впрыскиваться под небольшим давлением через форсунку от насоса. В итоге - в этой фазе движения ротора сегмент «расширения» оказывается заполненным воздухом под атмосферным давлением с мелко распыленной в нем водой.
Далее - ротор и запорные барабаны продолжают свое вращение. В этот момент окно подачи воды закрывается и тут же открывается окно перепуска в сегмент «расширения» рабочих газов горения из камеры сгорания, которые обладают огромным давлением и огромной температурой. От этого распыленная в сегменте вода мгновенно превращается в пар, давление получившейся паро-газовой смеси резко увеличивается, а ее температура значительно снижается. Именно значительное давление этой паро-газовой смеси давит на лопасть ротора и заставляет ротор вращаться {фигура 3). На длинном пути лопасти ротора по дугообразному рабочему пространству сектора «расширения - выпуска» тепло от раскаленных газов горения из камеры сгорания будет продолжать передаваться молекулам водяного пара, при этом общая температура паро-газовой смеси будет уменьшаться, а парциальное давление водяного пара - увеличиваться за счет перехода полностью всего объема пара из насыщенного в перегретое состояние.
В итоге- при достижении лопастью ротора крайнего положения на пути увеличения объема сегмента «расширения», давление паро-газовой смеси в нем должно быть минимально избыточным, а температура незначительно высокой. Именно таким образом будет работать способ преобразования высокой внутренней энергии газов горения рабочей смеси (в виде их температуры) в крутящий момент высокого значения на валу двигателя, осуществляемый с применением и использованием минимального количества дополнительных механизмов.
Главная особенность изобретения - последовательность осуществления технологических процессов впуска воды и рабочих газов высоких параметров в сектор «расширения - выпуска» роторного двигателя, что дает возможность легкого и эффективного парообразования.