РОТАТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым ротативным двигателям внутреннего сгорания со звездообразным расположением цилиндров, и может быть использовано для реализации термодинамического цикла Дизеля, Отто, Аткинсона, Миллера или Тринклера.
Из уровня техники известен двигатель, включающий кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями, и топливную аппаратуру для подачи топлива в цилиндры и его воспламенения (см. патент GB 525983, кл. F02B 57/08, опубл. 09.09.1940). Недостатками известного устройства являются низкий механический КПД, обусловленный большими потерями на трение в парах поршень/цилиндр, и низкий термодинамический КПД, обусловленный необходимостью интенсивного охлаждения цилиндров для обеспечения смазки трущихся пар поршень/цилиндр, что приводит к потере значительного количества теплоты сжигаемого топлива.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в ротативном двигателе, включающем кольцевой блок цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни, механизм, обеспечивающий взаимное возвратно-поступательное движение поршней и цилиндров, клапанное устройство, обеспечивающее подачу и отвод газа из полостей, образованных между цилиндрами и поршнями, и топливную аппаратуру для подачи топлива в полости и его воспламенения, поршни и цилиндры выполнены в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку, поршни помещены своими открытыми торцами внутрь цилиндров с гарантированным зазором между обечайками поршней и цилиндров, причем указанные зазоры и частично указанные полости заполнены жидкостью, компенсирующей за счет разницы статических давлений столбов жидкости в полостях и в зазорах, возникающей при вращении блока цилиндров, разницу давления газа внутри поршней и давления, воздействующего на поверхность жидкости в зазорах. В качестве жидкости применены вода, или расплавы, например, стекла, или растворы солей, например растворы бромида кальция, бромида цинка, хлорида цинка, или их смеси с плотностью до 2200 кг/куб.м. Двигатель снабжен подкачивающим насосом для постоянного или периодического добавления и обновления жидкости.
На чертеже представлен один из вариантов исполнения предлагаемого ротативного двигателя.
Двигатель состоит из вращающегося вокруг неподвижной оси 1 блока цилиндров 2, размещенных в цилиндрах 2 поршней 3, выполненных в виде полых стаканов, имеющих дно и обечайку, и направленных своими открытыми торцами внутрь цилиндров 2. Между обечайками поршней 3 и цилиндров 2 оставлен гарантированный зазор 4.
Зазор 4 заполнен жидкостью 5, которая при вращении блока цилиндров 2 центробежными силами прижимается к донышкам цилиндров 2. На оси неподвижного кривошипа 6 с эксцентриситетом относительно оси вращения блока цилиндров 2 установлен с возможностью вращения диск 7 с шатунами 8, которые шарнирно соединены с ползунами крейцкопфа 9. Ползуны крейцкопфа 9 соединены с поршнями 3 и установлены в блоке цилиндров 2 с возможностью возвратно-поступательного движения в подшипниках качения 10. Блок цилиндров 2 имеет окна 11, связывающие внутреннее пространство блока цилиндров с атмосферой. Каждый из цилиндров 2 имеет выхлопной канал 12 с выпускным клапаном 13, а также снабжен форсункой 14 для впрыска топлива. Каждый из поршней 3 снабжен впускным клапаном 15. Между свободной поверхностью жидкости 5 в поршнях 3 и внутренними поверхностями поршней 3 образованы полости 16, которые при возвратно-поступательном движении поршней 3 в цилиндрах 2 циклически изменяют свой объем. Для восполнения объема жидкости 5, неизбежно уменьшающейся за счет испарения и уноса с потоком выхлопных газов, предусмотрен насос, постоянно подкачивающий жидкость 5 в цилиндр 2 (на чертеже не показан). В качестве жидкости 5 может быть использована вода. Кроме того, может быть применен расплав вещества, стойкого к окислению и деструкции при высоких температурах, например расплавленное стекло или соль, или растворы солей, например растворы бромида кальция, бромида цинка, хлорида цинка, или их смеси с плотностью до 2200 кг/куб.м.
При использовании расплавов подкачивающий насос необходимо разогреть до температуры, большей, чем температура плавления применяемого вещества, с тем чтобы перекачивать жидкий расплав или не использовать насос как таковой, а передавливать расплав из какой-либо горячей буферной емкости, например, давлением сжатого воздуха.
Предлагаемый ротативный двигатель внутреннего сгорания может быть использован для реализации термодинамического цикла Дизеля, Отто, Аткинсона, Миллера или Тринклера. Ниже описана работа двигателя по четырехтактному циклу Дизеля.
Блок цилиндров 2 раскручивают до окружной скорости со по часовой стрелке. В положении «А» объем полости 16 минимален и находящийся в ней воздух сжат до высокого давления и нагрет до высокой температуры за счет сжатия и за счет теплоотдачи от нагретых поверхностей поршня 3 и горячей жидкости 5. Впускной клапан 15 и выпускной клапан 13 в этот момент закрыты. При повороте блока цилиндров 2 из положения «А» в положение «Б» через форсунку 14 в полость 16 впрыскивается топливо, топливо сгорает, и образующиеся нагретые газы начинают расширяться, производя давление на поршень и цилиндр, которое через шатуны 8 и диск 7 заставляет вращаться блок цилиндров 2. При этом часть тепла нагретых газов передается в поршень 3, цилиндр 2 и жидкость 5. Увеличение объема полости 16 и расширение в ней газа происходит до положения «В». Далее, от положения «В» через положение «Г» до положения «А», происходит уменьшение объема полости 16 и производится выхлоп отработанных газов в выхлопной канал 12 через открытый выпускной клапан 13. Таким образом, за первый полный оборот блока цилиндров 2 отработаны два такта четырехтактного цикла - рабочий ход и выхлоп. Далее, в положении «А», закрывается выпускной клапан 13 и открывается впускной клапан 15. При повороте от положения «А» через положение «Б» до положения «В» происходит увеличение объема полости 16 и производится всасывание атмосферного воздуха в полость 16. В положении «В» впускной клапан 15 закрывается и от положения «В» через положение «Г» до положения «А» происходит уменьшение объема полости 16 и производится сжатие и нагрев воздуха в полости 16. Таким образом, за второй полный оборот блока цилиндров 2 отработаны еще два такта четырехтактного цикла -всасывание и сжатие. Далее цикл работы повторяется.
При любом положении блока цилиндров 2 и при любой разнице давлений в полостях 16 и атмосферного давления эта разница давлений автоматически компенсируется разницей статического давления жидкости 5, находящейся в полости 16 и в зазоре 4, обусловленной разницей высот «Н» столбов жидкости 5, находящихся в поле действия центробежных сил.
Газ, находящийся в полостях 16, в течение цикла меняет свою температуру от минимальной во время такта всасывания до максимальной во время фазы сгорания топлива. Температура поршней 3 и жидкости 5 автоматически устанавливается на каком-то среднем уровне между максимальной и минимальной температурой газа в полости 16. При этом во время тактов всасывания и сжатия, когда температура поршней 3 и жидкости 5 превышает температуру всасываемого и сжимаемого воздуха, происходит отдача тепла от поршней 3 и жидкости 5 находящемуся в полости 16 воздуху. Во время первой фазы такта «рабочий ход», когда температура газа в полости 16 превышает температуру поршней 3 и жидкости 5, происходит теплоотдача от газа к поршням 3 и жидкости 5, а во время второй фазы такта «рабочий ход», когда температура поршней 3 и жидкости 5 превышает температуру расширившихся газов, происходит обратная теплоотдача, подогревающая расширяющийся в полости 16 газ. При работе двигателя неизбежно происходит частичное испарение и унос с потоком выхлопных газов жидкости 5. Подкачивающий насос (на чертеже не показан) постоянно добавляет новую жидкость 5 в цилиндры 2. При этом высота цилиндра 2 от донышка до открытого торца выбрана с таким расчетом, чтобы при каждом цикле сжатия излишки жидкости 5 из зазора 4 переливались через открытый торец цилиндра 2, после чего эти излишки жидкости 5 вновь поступают в подкачивающий насос. Таким образом, автоматически поддерживается конструктивно заложенный уровень жидкости 5 в цилиндрах 2, влияющий на степень сжатия газа.
Перед началом работы двигатель должен быть нагрет до высокой температуры, если предполагается, что в качестве жидкости 5 будет применено стекло (или соль) и его необходимо сильно нагреть, чтобы расплавить такую жидкость. Для этого весь двигатель может быть помещен в теплоизолированный кожух. Перед пуском в неподвижном состоянии в этот кожух подаются нагретые газы, например от бензиновой или газовой горелки. Двигатель разогревается, стекло плавится и после этого двигатель можно начинать раскручивать. Кроме того, может быть предусмотрено, что после остановки горячего двигателя, расплав полностью сливается в какую-либо буферную емкость, так чтобы при последующем холодном пуске ничто не мешало холостой работе двигателя.
В предлагаемой конструкции двигателя внутреннего сгорания отсутствует трение скольжения между поршнями и цилиндрами, что повышает механический КПД его работы. Кроме того, двигатель имеет высокий термодинамический КПД за счет исключения потерь теплоты на охлаждение и за счет возможности работы двигателя при более высоких температурах, т.к. его конструкция и принцип работы допускают использование жаропрочных материалов и подшипников, например керамических.