КОМБИНИРОВАННЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
COMBINED ROTARY ENGINE

Изобретение относится к категории двигателей и может быть использовано в машиностроении.
Известно техническое решение, выбранное в качестве прототипа, - роторный двигатель (заявка RU 2008121468, опубликована 10.04.2009 г., Бюл. ФИПС №10), который представляет собой корпус с отверстиями для ротора и отсекателя, имеющего каналы для подачи и отвода рабочего тела; отсекатель, продольная ось которого расположена перпендикулярно оси вращения ротора, установленного в корпусе и входящего в паз на роторе с возможностью совершать возвратно-поступательные движения; и ротор цилиндрической формы, отличающийся тем, что в роторе имеется незамкнутый профилированный паз изменяемой глубины, глубинная поверхность которого начинается на цилиндрической поверхности ротора, затем углубляется до поверхности уплотнения, лежащей на окружности, центр которой совпадает с осью вращения ротора, после чего выходит на цилиндрическую поверхность ротора и между краями паза на поверхности ротора имеется промежуток; где ось сечения паза перпендикулярна оси вращения ротора; при этом паз ротора выполняет функции камеры расширения.
Преимущество прототипа состоит в простоте и эффективности конструкции.
Недостаток прототипа состоит в том, что его конструкция при работе в качестве двигателя внутреннего сгорания не предусматривает сжатие воздуха в камере сгорания, что существенно снижает КПД двигателя, и в том, что энергия отработанных газов на выходе ДВС не используется, пропадая впустую.
Технический результат, который невозможно достичь прототипом, описанным выше, состоит в том, что его конструкция не предусматривает работу в качестве ДВС, со сжатием воздуха в рабочей камере сгорания, и в том, что не используется энергия отработанных газов ДВС.
Причиной невозможности получения технического результата является то, что конструкция прототипа не предусматривает сжатие воздуха в камере сгорания и использование энергии отработанных газов ДВС.
Учитывая анализ и характеристики прототипа, можно сделать вывод, что создание эффективного двигателя, свободного от перечисленных недостатков, является актуальной задачей.
Сущность изобретения поясняется нижеследующими описаниями и чертежами.
На фиг.1 показан разрез комбинированного роторного двигателя с установленным в нем ротором, где:
1 - Корпус с установленными в нем отсекателями (на рисунке отсекатели не показаны),
2 - Ротор, имеющий незамкнутые кольцевые каналы, выполняющие функции камер расширения и сжатия,
3 - Камера сгорания контура ДВС,
4 - Камера расширения парового контура,
5 - Камера сжатия компрессора.
На фиг.2 показана компоновочная схема комбинированного роторного двигателя, где:
6 - Парогенератор,
7 - Канал выпуска отработанных газов ДВС,
8 - Канал подачи пара в паровой контур двигателя,
9 - Канал подачи отработанных газов ДВС в парогенератор,
10 - Канал забора воздуха из атмосферы,
11 - Компрессорный контур,
12 - Канал подачи рабочего тела из парового контура в парогенератор,
13 - Паровой контур двигателя,
14 - Канал подачи топлива в контур ДВС,
15 - Контур ДВС,
16 - Магистраль высокого давления сжатого воздуха,
17 - Магистраль высокого давления воздуха,
18 - Ресивер.
На фиг.3 показаны сечения двигателя в районе паза ротора, где:
1 - Корпус,
2 - Ротор,
19 - Отсекатель.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что для работы роторного двигателя в качестве ДВС используется предварительное сжатие воздуха, необходимого для приготовления топливной смеси, вне камеры сгорания. Для сжатия воздуха используется дополнительное техническое решение - роторный компрессор (заявка RU 2008144040, опубликована 10.03.2009 г., Бюл. ФИПС №7), который представляет собой компрессор, содержащий корпус с отверстиями для ротора и отсекателя и каналами для перемещения газа, ротор, имеющий кольцевой паз в плоскости, перпендикулярной оси вращения, разделенный разделителем, и отсекатель, установленный в корпусе и входящий в паз на роторе, имеющий возможность совершать возвратно-поступательные движения в корпусе и пазе ротора, отличающийся тем, что при определенном взаиморасположении ротора и отсекателя, между поверхностями паза ротора, отсекателем и корпусом компрессора образуется замкнутая полость, выполняющая функции камеры сжатия, в которой происходит сжатие газа при повороте ротора. Комбинированный роторный двигатель, отличающийся тем, что воздух, необходимый для приготовления топливной смеси в роторном двигателе внутреннего сгорания, сжимается вне камеры сгорания с помощью роторного компрессора.
В связи с тем, что роторный компрессор и роторный двигатель имеют однотипные конструкции, существует возможность расположить их на одном роторе, что существенно упрощает конструкцию. Таким образом, в предложенной конструкции комбинированного роторного двигателя роторный компрессор расположен на одном роторе с камерами сгорания роторного ДВС.
Кроме этого, для того чтобы потребность ДВС в подаче сжатого воздуха в камеру сгорания не зависела от производительности компрессора при изменении режима работы, в конструкцию комбинированного роторного двигателя введено дополнительное техническое решение - устройство для накопления и хранения сжатого воздуха - ресивер. Таким образом, комбинированный роторный двигатель отличается тем, что воздух, сжатый в роторном компрессоре, перед подачей в камеру сгорания ДВС накапливается и хранится в ресивере.
При работе ДВС образуются отработанные газы, имеющие высокую температуру. Для того чтобы использовать энергию этих газов, в конструкцию введено дополнительное техническое решение - парогенератор, который служит для вырабатывания пара, который используется для работы парового контура комбинированного двигателя. Паровой контур комбинированного двигателя представляет собой роторный двигатель, работающий по внешнему циклу - за счет расширения рабочего тела, в качестве которого используется пар, вырабатываемый парогенератором. Итак, комбинированный роторный двигатель, отличающийся тем, что тепловая энергия отработанных газов, образующихся при работе роторного ДВС, используется для приготовления пара, необходимого для работы парового контура роторного двигателя.
Конструкция камер сгорания роторного ДВС однотипна с конструкцией камер расширения, работающих по внешнему циклу, роторного двигателя. В связи с этим существует возможность поместить камеры сгорания контура ДВС на одном роторе с камерами расширения парового контура. Итак, комбинированный роторный двигатель, отличающийся тем, что камеры сгорания роторного ДВС расположены на одном роторе с камерами расширения парового контура роторного двигателя.
Принцип работы комбинированного роторного двигателя:
Примем, что в ресивере 18 комбинированного двигателя имеется необходимое количество сжатого воздуха. Степень сжатия воздуха и объем ресивера определяются конструктивными особенностями, заложенными при разработке двигателя. Первоначальное заполнение ресивера сжатым воздухом может осуществляться от внешнего источника либо другим способом. Через магистраль 16 подачи сжатого воздуха воздух подается в камеру сгорания 3 контура 15 ДВС. Контур 15 ДВС представляет собой один или несколько незамкнутых кольцевых каналов на поверхности ротора 2, оборудованных отсекателями 19, установленными в корпусе 1. Одновременно с этим через канал 14 подачи топлива в камеру сгорания 3 подается топливо под давлением. Для подачи топлива под давлением могут применяться устройства любой известной конструкции. Конструкция камер сгорания 3 контура ДВС соответствует конструкции камер сгорания роторного двигателя. При этом в камере сгорания образуется воздушно-топливная смесь, которая затем поджигается любым известным техническим способом. При сгорании топливной смеси давление в камере сгорания 3 повышается и за счет особенностей конструкции роторного двигателя между одной из поверхностей канала в роторе и отсекателем 19, установленным в корпусе, возникает сила, преобразующаяся в крутящий момент, приводящий к вращению ротора 2, установленного в корпусе 1. Одновременно с этим начинается работа компрессорного контура 11. Через канал 10 забора воздуха из атмосферы в камеру 5 сжатия компрессора поступает атмосферный воздух. В камере сжатия 5 вследствие особенностей конструкции роторного компрессора, внутри паза на роторе образуется замкнутая полость и при вращении ротора поверхности отсекателя и разделителя канала ротора сближаются, за счет чего происходит сжатие воздуха до нужного давления. Затем сжатый воздух через магистраль 17 высокого давления воздуха поступает в ресивер 18, обеспечивая его постоянное наполнение сжатым воздухом. Количество камер сжатия 5 компрессора на роторе и их профиль определяется инженерными расчетами при проектировании двигателя и должно быть таким, чтобы гарантированно покрывать потребность двигателя в сжатом воздухе на любом режиме работы. В случае если давление в ресивере 18 будет повышаться свыше расчетных величин, то можно отключать необходимое количество камер 5 сжатия от работы компрессорного контура 11. Для регулирования давления в компрессорном контуре 11 может использоваться любое из известных технических решений. В связи с тем, что в предложенной конструкции отсутствует необходимость сжатия воздуха перед каждым тактом работы двигателя за счет введения в конструкцию ресивера, предложенный двигатель не предусматривает работу на холостом ходу. То есть при отсутствии нагрузки работа двигателя прекращается и возобновляется вновь, сразу при необходимости, путем подачи сжатого газа и топлива в камеру сгорания ДВС.
Для использования предложенной конструкции комбинированного роторного двигателя в качестве привода механизмов применяется вал отбора мощности, присоединенный к ротору 2 любым известным техническим способом.
Количество камер сгорания 3 на роторе 2 определяется при разработке двигателя и обусловлено его конструктивными особенностями. С помощью дополнительных технических решений в виде системы управления двигателем работа двигателя может быть организована таким образом, что при работе контура ДВС 15 будут задействованы не все камеры сгорания 3, а лишь то их количество, которое необходимо для работы при соответствующем режиме нагрузки.
При работе контура ДВС 15 образуются отработанные газы, нагретые до высокой температуры. Эти газы через канал 9 подачи поступают в парогенератор 6. Одновременно с этим в парогенератор 6 через канал 12 подается рабочее тело, служащее парогенерирующей жидкостью. В качестве рабочего тела может использоваться любое вещество, имеющее свойство переходить в газообразную фазу при нагревании и накапливать при этом энергию, например вода, раствор аммиака или другая жидкость. Конструкция парогенератора и устройства для подачи рабочего тела в парогенератор может быть любая и подбирается при разработке в зависимости от конструктивных особенностей двигателя. В парогенераторе рабочее тело испаряется и нагревается до рабочей температуры, заложенной в технические характеристики двигателя. Отработанные газы, поступившие в парогенератор 6 из контура ДВС 15 и передавшие свою энергию рабочему телу, через канал 7 выпуска выбрасываются в атмосферу. Нагретый до нужной температуры пар через канал 8 поступает в паровой контур 13 двигателя.
Паровой контур 13 представляет собой один или несколько незамкнутых кольцевых каналов на роторе 2, оборудованных отсекателями, выполняющих функции камеры расширения 4. Конструкция камер расширения 4 парового контура 13 соответствует конструкции камер расширения роторного двигателя. Количество камер расширения на роторе и их профиль определяется при разработке двигателя. При поступлении пара в камеру 4 расширения парового контура 13 в камере создается повышенное давление, между одной из поверхностей незамкнутого паза и отсекателем 19 возникает сила, преобразующаяся в крутящий момент, приводящий к вращению ротора 2. После завершения цикла расширения пара в камере расширения 4 рабочее тело через канал 12 возвращается в парогенератор 6.
Следовательно, при работе контура ДВС 15 комбинированного двигателя осуществляется одновременная работа парового контура 13, что приводит к повышению мощности и экономичности двигателя за счет эффективного использования топлива. Однако на некоторых режимах работы паровые контуры и контуры ДВС могут работать раздельно. Например, при запуске двигателя, когда в парогенераторе еще не выработано достаточное количество пара, работа двигателя осуществляется только на контуре ДВС. Либо в процессе работы на определенных режимах возможен переизбыток пара в паровом контуре. В этом случае отключается контур ДВС и работа двигателя осуществляется только на паровом контуре до снижения давления пара до расчетной величины. Итак, двигатель, отличающийся тем, что паровые контуры и контуры ДВС могут работать как одновременно, так и независимо друг от друга.
Известна особенность работы паровых двигателей - при расширении пара в камере расширения происходит охлаждение камеры за счет свойств газов охлаждаться при расширении. В связи с этим при подаче свежей порции газа в камеру расширения часть тепловой энергии газа тратится на нагрев камеры, что снижает эффективность работы паровой машины.
Напротив, при работе ДВС происходит нагрев камеры сгорания, что приводит к необходимости охлаждать камеру с помощью системы охлаждения.
Для того чтобы оптимизировать эти процессы, предлагается размещать камеры сгорания 3 контура ДВС и камеры расширения 4 парового контура на роторе поочередно. Через стенку, разделяющую камеру сгорания 3 и камеру расширения 4, происходит миграция тепла из камеры сгорания в камеру расширения, охлаждая первую и нагревая вторую, что позволяет наиболее эффективно использовать тепловую энергию, вырабатываемую в процессе работы двигателя. Итак, двигатель, отличающийся тем, что камеры сгорания контура ДВС на роторе чередуются с камерами расширения парового контура.
Суммируя все вышеперечисленное, конструкция роторного двигателя включает в себя роторный компрессор, роторный двигатель внутреннего сгорания и паровой контур роторного двигателя, при этом воздух, необходимый для приготовления топливной смеси в роторном двигателе внутреннего сгорания, сжимается вне камеры сгорания с помощью роторного компрессора, тепловая энергия отработанных газов, образующихся при работе роторного двигателя внутреннего сгорания, используется для приготовления пара, необходимого для работы парового контура роторного двигателя, камеры сгорания роторного двигателя внутреннего сгорания расположены на одном роторе с камерами расширения парового контура роторного двигателя, отличающаяся тем, что в камере сжатия компрессора при вращении ротора поверхности отсекателя и разделителя канала ротора сближаются, за счет чего происходит сжатие воздуха, контур двигателя внутреннего сгорания представляет собой несколько незамкнутых каналов на поверхности ротора, оборудованных отсекателями, паровой контур представляет собой несколько незамкнутых каналов на роторе, оборудованных отсекателями, выполняющих функции камер расширения, камеры сгорания контура двигателя внутреннего сгорания на роторе чередуются с камерами расширения парового контура.
Преимущества предложенного технического решения:
- Простота и надежность конструкции, полученная за счет того, что основой для всех элементов комбинированного роторного двигателя является единая деталь - ротор
- Простота изготовления
- Возможность получения высокой удельной мощности при минимальных габаритных размерах
- Низкий расход топлива за счет эффективного его использования
- Высокая мощность, достигаемая за счет работы двигателя в комбинированном режиме
- Высокий КПД
- Экологичность, полученная за счет наиболее эффективного сжигания топлива
- Малая шумность двигателя за счет отсутствия выброса излишней энергии при работе.
Таким образом, предложенный комбинированный роторный двигатель позволяет создавать на его основе машины и механизмы с техническими характеристиками, не достижимыми для применяемых на данное время технических решений.