РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО СПОСОБУ АРУТЮНОВА И КОНСТРУКЦИЯ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ АРУТЮНОВА
WORKING PROCESS OF ROTARY ENGINE ACCORDING TO ARUTYUNOV METHOD AND DESIGN OF ARUTYUNOV ROTARY ENGINE

Изобретение относится к области энергомашиностроения и, в частности, к рабочему процессу и конструкции двигателя внутреннего сгорания.
Роторные двигатели внутреннего сгорания являются перспективным направлением энергомашиностроения, история которого началась с изобретения двигателя Ванкеля, представляющего собой поршень-ротор, в виде треугольника, помещенный в корпус, где с помощью специального эксцентрика он совершает сложное эпициклическое движение. Рабочий процесс осуществляется по четырехтактному циклу за счет сжигания топливно-воздушной смеси в объемах, ограниченных внутренней поверхностью корпуса и каждой стороной поршня-ротора.
Двигатель Ванкеля не получил широкого распространения в автомобильной отрасли из-за своей кинематической сложности и необходимости соблюдения высокой точности при изготовлении сопрягаемых деталей, т.е. корпуса и ротора-поршня. К тому же значительной проблемой является герметизация внутреннего рабочего объема двигателя.
Дальнейшее развитие роторных двигателей внутреннего сгорания пошло по пути радикального изменения рабочего процесса за счет отказа от принципа его организации, типичного для поршневых машин.
Так, примером иной организации рабочего процесса является роторный двигатель Кузнецова [RU 2074967, опубл. 10.03.97]. Этот двигатель содержит цилиндрический ротор с равноудаленными каплеобразными углублениями по его образующей поверхности, каждое из которых выполняет роль лопатки. Ротор заключен в корпус с цилиндрической внутренней полостью соответствующего диаметра. Средство подачи топливно-воздушной смеси выполнено в виде пары диаметрально расположенных на корпусе поршневых компрессоров, полости которых имеют возможность периодически при вращении ротора сообщаться с углублениями последнего через направляющие сопла промежуточных камер сгорания, в свою очередь, содержащих средство воспламенения топливно-воздушной смеси в виде запальной свечи. Каждый поршневой компрессор содержит впускной клапан, предназначенный для подачи в него топливно-воздушной смеси, приготавливаемой вне компрессора, и перепускной клапан, соединяющий полость компрессора с камерой сгорания. Кроме всего перечисленного выше корпус содержит выхлопные каналы.
Принцип работы двигателя Кузнецова состоит в следующем.
Поршень одного из компрессоров, находясь в условно крайней верхней точке, начинает движение и через открытый впускной клапан происходит всасывание топливно-воздушной смеси. Достигнув условно крайней нижней точки, поршень, совершая возвратно-поступательное перемещение, начинает двигаться в обратном направлении и сжимает топливно-воздушную смесь. При этом впускной клапан закрыт и через открытый перепускной клапан происходит перекачка смеси в промежуточную камеру сгорания (далее камера сгорания). Одновременно с закрытием перепускного клапана топливно-воздушная смесь воспламеняется от запальной свечи и за счет вращения ротора открывается направляющее сопло. Продукты сгорания под большим давлением в виде струи попадают в углубление ротора, ударяя в его лопаточную часть, и передают ему всю накопленную потенциальную энергию. После совмещения углубления с выхлопным каналом продукты сгорания сбрасываются в атмосферу.
Анализ рабочего процесса двигателя Кузнецова показал, что в его основе лежит использование кинетической энергии струи (потока) сжатого газа, взаимодействующего с лопаточным аппаратом ротора. В сравнении с двигателем Ванкеля роторный двигатель Кузнецова имеет значительное преимущество, выражающееся в кинематической простоте его конструкции. Кроме того, расположение камеры сгорания вне ротора и ее устройство дают возможность обеспечить процесс сгорания топливно-воздушной смеси в режиме, близком к оптимальному, способствуя снижению уровня токсичности выхлопных газов.
Однако несмотря на кинематическую простоту роторного двигателя Кузнецова в целом конструкция этого двигателя усложнена наличием промежуточной системы подачи топливно-воздушной смеси в виде пары поршневых компрессоров, сообщенных через перепускные клапаны с соответствующими камерами сгорания. Но основным недостатком аналога является собственно рабочий такт двигателя, выраженный во взаимодействии струи газа из камеры сгорания с лопаточной частью углубления ротора. По мере истечения газа в углубление, давление там будет возрастать, что значительно снизит эффективность воздействия струи газа из-за прогрессивно возрастающего противодавления. Это явление ведет к потере мощности и снижению КПД.
В качестве прототипа предлагаемому изобретению выбран роторный двигатель внутреннего сгорания, рабочий такт которого может быть определен как реактивный, т.е. принципиально отличный от вышеописанного аналога. Конструкция этого двигателя [DE 2910304, опубл. 25.09.80.] содержит корпус, в котором установлен ротор с тремя равноудаленными углублениями на его цилиндрической части, образующие с аналогичными по форме внутренними стенками корпуса камеры сгорания. Корпус снабжен, как и аналог, поршневым компрессором в виде цилиндра и размещенного в нем поршня, связанного посредством шатунно-кривошипного механизма с приводом, синхронизированным с вращением ротора. При этом нагнетательная полость цилиндра открыта со стороны ротора и при вращении последнего имеет возможность периодически сообщаться с одним из углублений. Полость цилиндра связана со средством подачи топливно-воздушной смеси. Приблизительно под углом 90° к оси цилиндра на корпусе смонтировано средство воспламенения топливно-воздушной смеси, выполненное в виде запальной свечи. Соосно цилиндру и противоположно запальной свече на корпусе выполнен выхлопной канал, расположенный тангенциально по отношению к внутренней цилиндрической стенке корпуса.
Рабочий процесс в описанной конструкции роторного двигателя реализуется следующим образом.
В полость цилиндра, перекрытую цилиндрической поверхностью ротора, с помощью соответствующего устройства подают топливно-воздушную смесь. При этом поршень находится в крайнем верхнем положении. Затем посредством приводимого в действие шатунно-кривошипного механизма поршень перемещается в крайнее нижнее положение, сжимая, таким образом, смесь до необходимого давления. При совмещении с полостью цилиндра одного из углублений ротора последнее заполняется топливно-воздушной смесью, которая транспортируется в сторону запальной свечи. Когда углубление со смесью оказывается в зоне действия запальной свечи, осуществляется ее воспламенение. Это приводит к горению смеси и, как следствие, значительному повышению температуры и давления в углублении. «Законсервированные» в последнем продукты горения топливно-воздушной смеси дальше перемещаются к выхлопному каналу и при совмещении с ним начинают истекать с высокой скоростью с эффектом реактивной струи. Этим создается давление на стенки углубления, а значит, и ротора, в конечном итоге преобразуясь в крутящий момент, чему способствует конструктивное исполнение углубления, обеспечивающее плечо для равнодействующей силы реакции струи, действующей на ротор.
Таким образом, описанный рабочий процесс основан на реактивном принципе, что можно считать основным недостатком прототипа, который выражается в низкой мощности, возникающей вследствие того, что горение топливно-воздушной смеси осуществляется в постоянном объеме и высокое избыточное давление в отличие от двигателей с расширительным принципом не создает вращательного момента, а реализуется во время выхлопа за счет опоры на среду с низкой плотностью, а значит, с высокими потерями мощности и КПД.
Цель настоящего изобретения - повышение КПД роторного двигателя, создание технологичного, компактного роторного двигателя, который при простоте конструкции и меньших габаритах позволит обеспечить высокую мощность и высокую экономичность. Использовать различные виды топлива без конструктивных изменений и значительно повысить моторесурс двигателя. Поставленная задача достигается за счет того, что в рабочем процессе роторного двигателя, включающем приготовление топливно-воздушной смеси, введение ее в полость камеры сгорания, воспламенение, совершение рабочего такта и выхлоп, внутренняя стенка корпуса образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе, отличающийся тем, что радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом относительно друг друга и одна из них имеет радиальное направление, для совершения рабочего такта в топливно-воздушной смеси возбуждают ударные волны, переходящие в детонационные, в направлении вращения ротора путем воспламенения топливно-воздушной смеси в задней части камеры сгорания по ходу вращения ротора.
Достижению поставленной задачи способствует и предлагаемая конструкция роторного двигателя. Она включает корпус, внутренняя стенка которого образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе, при этом корпус снабжен средствами подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси и выхлопными каналами. Радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом относительно друг друга и одна из них имеет радиальное направление.
В корпусе имеются выхлопные каналы, выполненные тангенциально по отношению к ротору.
Сущность изобретения по способу и конструкции состоит в том, что в качестве движущей силы, используемой во время рабочего такта, предлагается использовать детонационные волны, что позволит значительно повысить мощность и КПД роторного двигателя.
На прилагаемом к описанию чертеже дано схематическое изображение роторного двигателя предлагаемой конструкции.
Он содержит корпус 1, в цилиндрической полости которого установлен ротор 2. Последний снабжен рядом равноудаленных друг от друга углублений, которые с внутренней стенкой корпуса образуют камеры сгорания 3. Радиальное сечение камеры сгорания 4, одной стороной которого является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие образуют углубление ротора. При этом стороны, образующие углубление, являются прямолинейными и расположены под прямым углом друг к другу. Сторона 5 имеет радиальное направление и образует со стороной 6 прямой угол. Корпус 1 снабжен средством подачи топливно-воздушной смеси, выполненным в виде инжектора 7, а средство 8 воспламенения смеси представлено запальной электрической свечой. Инфраструктурные системы по приготовлению топливно-воздушной смеси и генерирования электрической искры на запальной свече на чертеже не показаны. В корпусе 1 выполнены выхлопные каналы 9, ориентированные тангенциально по отношению к ротору 2. На представленном чертеже роторного двигателя выполнены три камеры сгорания, расположенные под углом 120°, и набор средств подачи топливно-воздушной смеси, воспламенения последней и выхлопных каналов, количество и расположение которых показано на чертеже. Количество камер сгорания определяется размером ротора и требованиями к развиваемой мощности и плавности развиваемого на роторе крутящего момента. Вопрос синхронизации во времени работы всех камер сгорания в настоящем описании не рассматривается.
Рабочий процесс роторного двигателя Арутюнова реализуется следующим образом.
Предварительно приготовленную топливно-воздушную смесь через инжектор 7 подают в камеру сгорания 3. При повороте ротора 2 против часовой стрелки камера сгорания перемещается в зону размещения средства воспламенения 8 и в момент, когда запальная свеча окажется позиционированной в задней части камеры сгорания по ходу вращения ротора, осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси путем подачи высокого напряжения на запальную свечу и инициирования искры. Треугольная форма камеры сгорания согласно принципам газодинамики способствует тому, что процесс горения топливно-воздушной смеси носит детонационный характер. В развитии последнего большое значение имеет создание турбулентности в топливно-воздушной смеси, чему способствует, во-первых, несимметричность формы камеры сгорания, а во-вторых, генерирование в ней пульсаций из-за химических превращений вещества, которые сопровождаются движением среды, возникающего вследствие различия удельных объемов исходного вещества и продуктов сгорания. Элементарные волны сжатия, испускаемые при воспламенении последовательно слоев топливно-воздушной смеси и направленные в сторону вращения ротора, образуют ударные волны. Ударная волна это - распространение по среде фронта резкого, почти мгновенного изменения параметров среды: плотности, давления, температуры, скорости. Динамическое воздействие ударных волн на преграду зависит от времени воздействия и числа Маха ударной волны.
Согласно газодинамической теории детонационная волна рассматривается как совместное распространение ударной волны с волной горения. Детонационное самовоспламенение вызывается ударной волной такой интенсивности, которая обеспечивает самовоспламенение смеси и повышение скорости сгорания. В конечном итоге, детонационная волна есть такая фаза горения, когда воспламенение каждого слоя топливно-воздушной смеси вызывается сжатием, а не подогревом. Горение и детонация отличаются друг от друга тем, что в первом случае скорость движения фронта химических превращений меньше скорости звука, а во втором - она превышает эту скорость, которая достигает по разным научным источникам 1000-3500 м/с. Детонация может распространяться в условиях изолированной, замкнутой системы. Детонация - это процесс сверхзвукового распространения фронта химических превращений по веществу, который может протекать без всякого взаимодействия с окружающей средой. Как указано выше, химические превращения вещества сопровождаются движением среды. В свою очередь, механическое движение влияет на состояние вещества в пределах детонационного фронта и, в конечном итоге, на скорость химических превращений. Следовательно, детонация представляет собой не только химический, но и газодинамический процесс. Более того, именно законы газодинамики определяют скорость движения детонационного фронта по веществу. Таким образом, генерируемые в камере сгорания 3 детонационные волны в направлении вращения ротора взаимодействуют со стороной 5, преобразуют свою кинетическую энергию в механическую энергию вращения ротора 2.
г.д.п.
Однако кинетическая энергия детонационной волны - лишь часть энергии, отдаваемой ротору в рабочем процессе роторного двигателя. Дополнительный силовой импульс, увеличивающий крутящий момент на роторе 2, возникает в момент соединения камеры сгорания с выхлопным каналом 9. Поток продуктов сгорания, вырывающийся под значительным давлением и скоростью через образующийся зазор, взаимодействует со стороной 5 камеры сгорания, оказывая на нее давление в сторону вращения ротора 2 и создавая на плече, приблизительно равном радиусу ротора, крутящий момент. Образно поток газа, истекающий из камеры сгорания, можно сравнить с «клином», вбиваемым между стенкой корпуса 1, переходящей в выхлопной канал 9 и верхней кромкой стороны 5. Затем газодинамический поток переходит в реактивную струю газового потока, формирующую третью тангенсальную вращающую силу F.
Суммирование сил детонационного импульса, сил газодинамического клина и сила реактивного газодинамического потока увеличивает мощность и КПД роторного двигателя предлагаемой конструкции.
c.д.и.
F - сила детонационного импульса.
c.г.к
F - сила газодинамического клина.
c.г.п.
F - сила газодинамического потока.
т.в.c.p.
F - тангенсальная вращающая сила ротора.
д.и.
г.д.к.
с.г.п.
т.в.р.
F+F +F=F
К достоинствам предлагаемой конструкции роторного двигателя относится то, что он не имеет «мертвых точек», характерных для поршневых машин, и крутящий момент на валу приближается к постоянному. Роторный двигатель работает без вибрации, потому что ротор совершает только вращательное движение и полностью статически и динамически сбалансирован. Отсутствие преобразования одного вида движения в другое (например, возвратно-поступательное во вращательное) позволяет работать двигателю на высоких частотах вращения, не доступных для машин других типов. Благодаря вышесказанному, а также новому рабочему процессу, основанному на использовании детонационных волн, предлагаемая конструкция роторного двигателя имеет удельно-габаритные показатели мощности, превосходящие в несколько раз соответствующие показатели машин аналогичного типа, например, таких как реактивные и лопаточно-струйные. Производительность роторного двигателя предлагаемой конструкции прямо пропорциональна скорости вращения ротора, что позволяет контролировать и управлять расходом рабочего тела. Такая конструкция дает возможность использовать новые конструкционные материалы, например, керамику, порошковые материалы, сведя процесс производства двигателя к высокоточному объемному прессованию с минимумом финишных операций.
Как показала эксплуатация опытного образца на различных видах топлива, расход последнего в 2-4 раза меньше по сравнению с существующими поршневыми двигателями такой же мощности, а моторесурс в два раза выше. КПД опытного образца достигало 96% по циклу Карно. На единицу массы (кг) двигателя приходится 15 кВт мощности и такого показателя не имеет ни один из известных в настоящее время двигателей внутреннего сгорания.