СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КПД ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ СЛОЖНОГО ТЕПЛОВОГО ЦИКЛА, РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УКАЗАННОГО СПОСОБА И РЕГУЛЯТОР ОБОРОТОВ ВАЛА РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD TO UP ENGINE EFFICIENCY BY COMPLEX THERMAL CYCLE, ROTARY PISTON ENGINE TO IMPLEMENT SAID METHOD AND ROTARY PISTON ENGINE SHAFT RPM REGULATOR

Заявляемая группа изобретений относится к области двигателестроения, преимущественно к производству роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для использования в автомобилях.
В настоящее время в автомобилестроении применяются различные способы повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигателей и различные конструкции двигателей.
Известен, например, роторный двигатель, содержащий корпус с впускным и выпускным клапанами и торцевыми крышками, профилированный цилиндрический ротор с выступами, концентрично установленный в корпусе с образованием с внутренней поверхностью последнего рабочих камер, подпружиненную разделительную лопасть, установленную в радиальном пазу корпуса между впускным и выпускным каналами с возможностью взаимодействия с профилированной поверхностью ротора, и клапан, размещенный в пазу корпуса с возможностью взаимодействия с разделительной пластиной и перекрытия впускного клапана, причем двигатель снабжен уплотнительными элементами, расположенными на выступах ротора, клапан выполнен в виде двух пластин с окнами, одна из которых неподвижно закреплена во впускном канале, другая размещена в последнем с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно первой и совмещения окон, а ширина лопасти равна ширине ротора в направлении продольной оси движения (патент СССР №1836573, кл. F01C 1/356, приоритет 11.01.91 г., опубл. 23.08.93 г., бюл. №31).
Недостатком известного двигателя является недостаточно эффективный тепловой цикл с одноразовым преобразованием тепла в полезную работу, кроме того, ротор вращается эксцентрично, что приводит к вибрациям, потере энергии и сокращению моторесурса двигателя.
Известен также роторно-поршневой двигатель братьев Ольховенко, содержащий цилиндрический корпус с боковыми крышками и размещенными в нем всасывающим и выхлопным окнами, расположенную в корпусе камеру сгорания, оснащенную источником воспламенения, ротор, поршневые элементы, имеющие шарнирное крепление на эксцентриковом валу и опирающиеся на ротор и боковые крышки корпуса, механизм синхронизации эксцентрикового вала и перекрывающие всасывающие и выхлопные окна кольца, уплотнение и систему смазки, в котором полнопоточная камера сгорания, внутренние стенки которой облицованы огнеупорным теплоизолятором, контактирует с внутренней частью двигателя посредством впускного и выпускного окон, при этом выпускное окно камеры сгорания расположено примерно диаметрально по отношению к выхлопному окну двигателя, всасывающее окно которого расположено примерно под углом 140 градусов к впускному окну камеры сгорания, источник воспламенения в камере сгорания работает во время пуска двигателя и отключается после его прогрева, камера сгорания снабжена отверстием для газа, имеющим возможность соединения с отверстием подачи сжатого газа в полость двигателя, в роторе которого по периферии размещены перегородки, ограниченные диаметром ротора, радиусом поршня и головкой поршня, в промежуточном вале, выполненном с возможностью поворота, имеющем общую ось с ротором, расположен опорный вал, поршневые элементы, усиленные ребрами жесткости в сечении Ш-образной формы, имеют кривизну, равную радиусу диска ротора, теплоизолированы со стороны, обращенной к обечайке корпуса, шарнирно связаны с роторными дисками, имеющими теплоизоляцию, и шатунами, шарнирно связанными со ступицей шатунов, жестко связанной с опорным валом, имеющим зубчатое колесо, связанное с блоком шестерен промежуточного вала, который посредством блока шестерен связан с зубчатым колесом ротора с передаточным числом один к одному, обеспечивающим вращение ротора и ступицы шатунов с одинаковым числом оборотов (патент РФ №2168034, кл. F02B 55/00, приоритет 14.05.97 г., опубл. 2001.05.27).
Недостатком известного двигателя является сложность конструкции и недостаточно высокий КПД, обусловленный наличием сложных шестеренчатых передач, шатунов, опорных и промежуточных валов.
Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является сбалансированный роторный двигатель внутреннего сгорания по патенту США №3797464, 1974 г., содержащий корпус и ротор с дуговыми поверхностями, ротор вращается относительно корпуса, на дуговых поверхностях корпуса и ротора установлены подпружиненные выдвижные лопатки, осуществляющие передачу усилий газов при рабочем ходе в наиболее удаленной от центра вращения точке по касательной к окружности вращения ротора, каналы газообмена, систему газораспределения, систему зажигания, систему охлаждения, боковые уплотнительные кольца, торцевые крышки.
Недостатком известного роторного двигателя внутреннего сгорания является низкий КПД, обусловленный в первую очередь тем, что через систему охлаждения и выхлопную трубу теряется до 65% тепла. Камера сгорания, расположенная внутри корпуса, нагревает весь двигатель и вынуждает иметь мощную систему охлаждения, что усложняет конструкцию и удорожает двигатель.
Задачей группы изобретений является устранение указанных недостатков и создание способа повышения КПД роторно-поршневого двигателя за счет использования сложного теплового цикла, устройства, его осуществляющего - роторно-поршневого двигателя, а также регулятора оборотов вала указанного двигателя.
Способ повышения КПД двигателей включает в себя цикл внутреннего сгорания, теплообменные циклы сбора тепловых потерь, при этом цикл внутреннего сгорания, состоящий из четырех тактов: всасывания топлива, сжатия, рабочего хода и выхлопа, осуществляют за время прохождения одного такта, теплообменный цикл сбора тепловых потерь осуществляется за счет прохождения воды через каналы теплообмена корпуса горячей секции и охлаждения водой камеры сгорания, и цикл использования этих потерь в рабочем ходе двигателя, включающий нагрев воды до температуры кипения для последующего впрыскивания ее в камеры сгорания, кроме того, в цикл внутреннего сгорания двигателя дополнительно и параллельно ему введен паровой цикл, представляющий собой впрыскивание кипящей воды (пара) в камеры сгорания с увеличением массы рабочего тела примерно в два раза и образованием парогазовой смеси, а теплообменный цикл сбора тепловых потерь включает также прохождение воды через каналы теплообмена выхлопной трубы. Роторно-поршневой двигатель для реализации указанного способа включает в себя корпус, ротор, вал, камеру сгорания, две отделенные друг от друга секции: холодную, где идут такты всасывания и сжатия, и горячую, где идут такты рабочего хода и выхлопа, между секциями установлен газораспределительный диск, с внешней стороны двигателя каждая секция имеет торцевые крышки, при этом внутри каждой секции установлен выполненный, например, в виде эллипса ротор, причем ротор горячей секции имеет большую ширину, чем ротор холодной секции, для увеличения площади приложения силы, оба ротора закреплены на валу, горячая секция имеет больший объем, чем холодная, для увеличения длины рабочего хода, на дуговых поверхностях корпуса и роторов установлены сменные пластины из износостойкого материала, в горячей секции под указанной пластиной установлены дополнительно теплоизоляционные ленты, а дуговые поверхности корпусов и роторов образуют не менее двух рабочих камер, при этом на роторы установлены подпружиненные выдвижные рабочие лопатки, на корпусе в обеих секциях установлены разграничивающие один такт от другого лопатки, количество которых равно количеству лопаток на роторах, а камеры сгорания вынесены из внутреннего объема корпуса на его внешнюю поверхность, причем на каждую рабочую камеру горячей секции установлены по две камеры сгорания, работающие поочередно, при этом камеры сгорания теплоизолированы от корпуса прокладками и закрыты теплоизолирующим колпаком, ротор горячей секции по отношению к ротору холодной секции смещен в сторону, противоположную направлению вращения, для обеспечения запаздывания рабочего хода на время, достаточное для полного сгорания топливной смеси, впрыскивания воды в камеры сгорания и парообразования. Регулятор оборотов вала роторно-поршневого двигателя содержит вал, корпус, торцевые крышки, подшипники, причем на валу установлены пластины, которые с помощью шарниров, грузов и тяг, расположенных между пластинами, соединены между собой и с системой рычагов, на валу установлена пружина с возможностью сжатия при вращении вала от действия центробежной силы, при этом пружина через указанные пластины и систему рычагов может закрывать или открывать кран топливопровода.
Группа изобретений иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - продольный разрез двигателя по А-А, на фиг.2 - разрез Б-Б через горячую секцию при двух рабочих камерах в секции, на фиг.3 - схема работы двигателя с улучшенным тепловым циклом, на фиг.4 - разрез Б-Б через горячую секцию при трех рабочих камерах в секции, на фиг.5 - разрез Б-Б через горячую секцию при четырех рабочих камерах в секции, на фиг.6 - регулятор оборотов вала роторно-поршневого двигателя, на фиг.7 - рабочая лопатка холодной секции, на фиг.8 - схема сбора тепловых потерь выхлопных газов, продольный разрез.
Предлагаемый роторно-поршневой двигатель (фиг.1) включает в себя корпус 1, две отделенных друг от друга секции: холодную 2 и горячую 3, каждая секция имеет с двух сторон по два уплотнительных кольца 4 и внутренние уплотнительные кольца 5. С внешней стороны двигателя каждая секция имеет торцевые крышки 6. Внутри каждой секции находится выполненный в виде эллипса ротор. Ротор 7 холодной секции имеет в несколько раз меньшую ширину, чем ротор 8 горячей секции. Ротор 8 горячей секции шире ротора 7, так как объем рабочего тела в горячей секции 3 двигателя больше, чем в секции 2. За счет увеличения габаритов ротора 8 увеличена площадь приложения силы при прохождении рабочего хода и увеличен КПД. Оба ротора 7 и 8 с помощью шлицев соединены с полым валом 9, вращающимся на подшипниках 10. Между секциями 2 и 3 установлен газораспределительный диск 11. С внешней стороны секций ставятся и закрепляются на валу опорные шайбы 12. На дуговые поверхности корпуса и роторов установлены штампованные из металла пластины 13, что упрощает ремонт двигателя (при их износе достаточно снять изношенные пластины и установить новые). В горячей секции 3 под эти металлические пластины 13 ставятся такие же по форме и размерам теплоизоляционные ленты 14. Между боковыми уплотнительными кольцами 4 в горячей секции 3 также установлены теплоизоляционные кольца 15. Эта теплоизоляция позволяет значительно снизить тепловые потери в двигателе. Подшипники 10 с внутренней и внешней сторон имеют крышки 16. Дуговые поверхности корпусов 1 и роторов 7 и 8 образуют как в холодной секции 2, так и в горячей секции 3 несколько, например две, рабочие камеры 17. На ротор 7 холодной секции 2 и ротор 8 горячей секции 3 установлены подпружиненные выдвижные рабочие лопатки 18, на корпусе в обеих секциях 2 и 3 установлены по две разграничивающие один такт от другого лопатки 19 для уменьшения износа всех лопаток и металлических лент как на корпусе двигателя, так и на роторе, на концах лопаток, соприкасающихся с лентами, выполнена круглая проточка, куда вставлен несколько меньшего диаметра круглый ролик 51 (фиг.7), выполняющий роль подшипника. На дне проточки выполнена канавка 52 для смазки ролика. Таким образом, трение при скольжении лопаток заменяется качением, ролики катятся по дуговым поверхностям корпуса и роторов, сокращая их износ и потери энергии на трение, увеличивая тем самым моторесурс двигателя, удлиняя межремонтный период и сокращая расходы на эксплуатацию. Камеры сгорания 20 вынесены из внутреннего объема корпуса 1 на его внешнюю поверхность. На каждую рабочую камеру 17 горячей секции 3 установлены по две работающие поочередно камеры 20 сгорания, которые снабжены свечами зажигания (не показаны) и расположены с разных сторон корпуса 1. Камеры 20 через газообменные каналы (не показаны) и газораспределительную систему (не показана) соединяют холодную секцию 2 с горячей секцией 3. От корпуса 1 камеры сгорания 20 теплоизолированы прокладками 21, сверху они закрыты колпаком 22, и он изнутри и снаружи также покрыт теплоизоляцией. Теплоизоляция горячей секции 3 дает возможность собрать тепло в камерах сгорания 20, изолировать его от корпуса 1 и внешней среды, использовать его в паровом цикле для получения полезной работы и увеличения КПД. Во внутренних уплотнительных кольцах 5 (фиг.2) горячей секции 3 имеются сообщающиеся между собой полости 23. Через нижний патрубок 24 полости соединены с водяной емкостью (не показана), а через верхний патрубок 25 соединены с радиатором водяного охлаждения (не показан). Охлаждение ротора горячей секции осуществляется воздухом от вентилятора через полую ось-трубу, как показано на фиг.1.
Регулятор оборотов вала роторно-поршневого однотактного двигателя включает в себя корпус 26 (фиг.6), представляющий из себя отрезок трубы с лапами для крепления к корпусу двигателя (не показано), торцевые крышки 27, в них имеются гнезда для подшипников 28, на которых вращается вал 29, выходящий с одной стороны за заднюю торцевую крышку 27 на 4-5 см, на этот конец вала 29 крепится либо шкив, либо шестерня (не показано) для создания кинематической связи с валом 9. Внутри корпуса 26 с задней стороны вал 29 имеет резьбу, на которую заворачиваются две гайки 30, между которыми установлена пластина 31, эта пластина и гайки служат для настройки регулятора оборотов на необходимый режим работы и вращаются вместе с валом 29. На вал 29 надета спиральная пружина 32 и каретка 33, каретка не вращается вместе с валом 29, а только перемещается вдоль него. Каретка 33 со стороны пружины 32 имеет бортик, в который упирается пластина 34, имеющая гнездо для подшипника 35. Пластины 31 и 34 на шарнирах через грузы 36 и тяги 37 соединены между собой. К каретке 33 с другого ее конца жестко закреплена пластина 38, имеющая отверстия для крепления проволочных тяг 39, которые через систему рычагов 40 соединены с краном 41 на топливопроводе 42.
Сбор тепловых потерь выхлопных газов осуществляется путем установки теплообменной трубы 43 на выхлопную трубу 44 с образованием зазора 45 для циркуляции воды. Для увеличения площади теплообмена и уменьшения габаритов теплообменного устройства выхлопные газы поступают в змеевик 46, который расположен в корпусе 47 теплообменного устройства. Для заливки воды корпус имеет горловину 48, а для слива воды - сливной кран 49. Корпус 47 и труба 43 покрыты слоем теплоизоляции 50 для уменьшения тепловых потерь.
Двигатель реализует способ повышения КПД следующим образом (фиг.3). При вращении ротора 7 холодной секции 2 в обеих его рабочих камерах 17 обе его выдвижные рабочие лопатки 18 вместе с ротором 7 начинают движение по дуговым поверхностям корпуса 1, а выдвижные лопатки 19 корпуса 1 одновременно начинают движение по дуговым поверхностям ротора 7. Между ними в обеих рабочих камерах 17 увеличиваются объемы, создается разрежение, и топливная смесь из карбюратора через газообменные каналы поступает в обе рабочие камеры 17 холодной секции 2. При вращении ротора 7 его выдвижные лопатки 18 проходят выдвижные лопатки 19 корпуса 1, которые отсекают в обеих рабочих камерах 17 определенное их объемом количество топливной смеси. Продолжая двигаться, лопатки 18 ротора 7 начинают одновременно с одной стороны лопатки 18 сжимать, а с другой стороны этой лопатки всасывать топливную смесь. Сжимаемая топливная смесь через газораспределительную систему подается в одну их камер сгорания 20. Холодная секция 2 в данном случае работает как насос, горячая секция 3 работает как расширитель, выходящая из камер сгорания 20 парогазовая смесь толкает лопатки 18 ротора 8, совершая рабочий ход, с противоположной стороны этой лопатки одновременно идет выхлоп. Камеры сгорания 20 в двигателе работают поочередно, если в одной из них идет такт сжатия, то в другой одновременно идет такт рабочего хода и наоборот. Такое постоянное одновременное параллельное прохождение четырех тактов сложного теплового цикла за время прохождения одного такта означает, что двигатель однотактный, за счет чего за один оборот вала 9 при двух рабочих камерах 17 в секциях 2 и 3 проходят четыре рабочих хода, при трех рабочих камерах (фиг.4) в секциях - девять рабочих ходов, при четырех рабочих камерах (фиг.5) - шестнадцать рабочих ходов и так далее, но при обязательном условии установки двух камер сгорания 20 на каждую рабочую камеру 17. Для осуществления парового цикла впрыскивание воды в камеры сгорания 20 нужно производить только после полного сгорания топливной смеси, для этого нужно время, время нужно и для испарения воды и нагревания пара. Для этого ротор 8 горячей секции 3 смещен по отношению к ротору 7 холодной секции 2, поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения, для запаздывания начала такта «рабочий ход» на угол, достаточный по времени движения ротора 8 для полного сгорания топливной смеси, образования и нагревания пара. Парогазовая смесь не оставляет в камерах сгорания нагара, часто являющегося причиной детонации топлива. Остающееся в камерах сгорания после прохождения рабочего хода некоторое количество парогазовой смеси является идеальной, совершенно безвредной антидетонационной присадкой к топливной смеси. Парогазовая смесь из камер сгорания 20 через каналы газообмена подается в рабочие камеры 17 горячей секции 3 для совершения полезной работы. Длина дуговых поверхностей корпуса 1 в рабочих камерах 17 как в холодной 2, так и в горячей 3 секциях от одной лопатки 19 до другой при радиусе вращения ротора 8 от центра вращения вала до наиболее удаленной части ротора 8, например, 10 см составит 40-42 см, длина рабочего хода с учетом наличия газообменных каналов составит 30-35 см, что будет способствовать повышению КПД. Паровой цикл может быть построен и по-другому. Например, в камеры сгорания 20 можно подавать не воду, а нагретый пар, но для этого потребуется более сложная система нагревания пара и его подачи в камеры сгорания, а достигнутое увеличение КПД окажется незначительным.
Регулятор оборотов вала (фиг.6) работает следующим образом. При уменьшении нагрузки, например, при движении под уклон или при остановках увеличивается число оборотов вала 9 двигателя, и это увеличение оборотов передается на вал 29 и через тяги 37 и грузы 36 на систему рычагов 40. Увеличивается частота вращения, и центробежная сила через пластины 31 и 34 сжимает пружину 32 и закрывает при этом кран 41 топливопровода 42. Рычаг, идущий от регулятора, имеет продольное, длиной несколько миллиметров, отверстие, которое дает возможность работать двигателю в определенном диапазоне частот вращения и при достижении некоего порога частоты он закрывает кран 41 подачи топлива, в это время вал 9 двигателя несколько минут вращается по инерции, экономя топливо, а при достижении наименьшего значения частоты вращения (не равной нулю) открывает его. Двигатель, сделав 4-5 рабочих ходов, вновь набирает скорость вращения и вновь закрывает кран подачи топлива. Применение в двигателе данного регулятора может сэкономить при езде вне города 10-15%, а в городе до 30% топлива, уменьшить выбросы в атмосферу выхлопных газов и тепла.
При организации парового цикла на каждый литр топливной смеси требуется 1 куб. см воды, при двух рабочих камерах 17 в секциях при тысяче оборотов вала 9 и роторов 7 и 8 в минуту произойдет 4000 циклов с расходом воды 4 литра, за час работы двигателя потребуется 240 литров воды, поэтому для двигателя предусмотрена оборотная система водоснабжения с конденсацией пара (не показана). Для уменьшения шума при выхлопе рабочие камеры 17 в горячей секции 3 можно выполнить по объему несколько больше объема рабочего тела. После сгорания топливной смеси в камере сгорания объемом в 125 куб. см получим рабочее тело с давлением 50 бар. Уходящие выхлопные газы используют в своем рабочем ходе только часть температурного диапазона цикла ДВС, преобразуется в полезную работу в среднем 35%. Основная часть тепла через выхлопную трубу и систему охлаждения в известных двигателях выбрасывается в атмосферу. Предлагаемый двигатель закрывает эти каналы потерь тепла. Основной источник тепла и нагревания двигателя - расположение камер сгорания во внутренней его части. Для повышения КПД необходимо вынести камеры сгорания на внешнюю поверхность корпуса, теплоизолировать их, уменьшить нагревание двигателя и снизить температуру рабочего тела не менее чем вдвое. Для этого после окончания сгорания топливной смеси в камеры сгорания насосом через распылительные форсунки впрыскивается предварительно нагретая теплообменными циклами сбора тепловых потерь вода, например 1 куб. см, при ее испарении получим 1600 куб. см пара, масса рабочего тела увеличится. Снижение температуры увеличенной массы рабочего тела произойдет внутри замкнутого объема камер сгорания без потерь энергии. Давление при этом поднимется незначительно, на 2-3 бар. Увеличение давления произойдет за счет нагревания воды теплообменными циклами сбора тепловых потерь и использования этой энергии в сложном тепловом цикле (когда и параллельно, и последовательно идут одновременно несколько тепловых циклов с установлением связей между ними).
Увеличения мощности двигателя можно добиться двумя способами, например на удлиненный вал поставить несколько однотипных двигателей или увеличить количество рабочих камер 17 в секциях 2 и 3 и соответственно увеличить количество циклов за один оборот вала 9 (фиг.4 и 5).
Повышение КПД предлагаемого двигателя достигается также за счет введения парового цикла, с помощью которого снижается температура рабочего тела в камерах сгорания без потерь энергии до 1100-1200 градусов, тем самым снижается температурный напор на корпус и узлы двигателя, увеличивается в несколько раз масса рабочего тела, объем расширения, площадь приложения силы и длина рабочего хода, что позволяет улучшить соотношение между массой рабочего тела и его температурой, давлением, объемом расширения и временем прохождения теплового цикла. Благодаря этому обеспечена однотактность двигателя, постоянное одновременное параллельное прохождение всех четырех тактов цикла за время прохождения одного такта и тем самым «сжатие» теплового цикла во времени, что вместе с теплоизоляцией горячей секции 3 и камер сгорания 20 резко уменьшает бесполезное расходование тепла на нагревание двигателя, а температура выхлопных газов снижается до 150-200 градусов, тем самым повышена эффективность использования тепловой энергии в двигателе и повышен его КПД.
Полезная работа роторно-поршневого двигателя на основе вышеописанного сложного теплового цикла будет равна:
1
2
1
L=(t-t):t,
1
2
где L - КПД в процентах, t - температура рабочего тела перед началом рабочего хода, t - температура выхлопных газов.
КПД=(1150-200):1150=82%.
КПД может колебаться около приведенного значения на ±5%. Наряду с увеличением КПД двигателя достигаются и другие положительные эффекты, сокращается расход энергоресурсов, уменьшаются выбросы в атмосферу тепла и выхлопных газов, выхлопные газы за счет присутствия водяного пара имеют меньшую токсичность, что позволит улучшить экологическую обстановку, особенно в крупных городах.