РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ, СПОСОБ ВРАЩЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ В НЕМ, СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЕГО ЛОПАСТИ И СПОСОБ ДИФФУЗИОННОГО ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В НЕМ
ROTARY-VANE ENGINE, METHOD OF BLADES ROTATING IN IT, METHOD OF AIR COOLING OF ITS BLADE AND METHOD OF DIFFUSION COMBUSTION OF FUEL IN IT

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания с неравномерным вращением рабочих органов.
Известен двигатель внутреннего сгорания (патент SU 494884, приоритет от 21.03.1973), содержащий неподвижный корпус с выполненной в нем кольцевой камерой, рабочие органы установлены на двух соосных валах, имеется механизм периодического изменения скорости вращения валов. Каналы и окна газообмена расположены на поверхности камеры. Вспомогательные камеры воспламенения с источником зажигания выполнены в полом корпусе и соединены каналом с рабочей камерой. Канал разделен перегородкой на два участка: передний и задний.
Вспомогательная камера используется для впрыска факела горящих газов из вспомогательной камеры в рабочую камеру, для турболизации в ней заряда и обеспечения быстрого и полного сгорания смеси.
Недостатки конструкции в больших тепловых потерях и трудности охлаждения рабочих органов.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (патент RU 2198307, приоритет от 26.07.2000), содержащий цилиндр с четырьмя секторными поршнями, попарно закрепленными на соосных валах, механизм преобразования движения и камеру сгорания, вынесенную за пределы полости цилиндра и выполненную в форме трубки. Секторные поршни имеют радиальные и торцевые уплотнения. Двигатель снабжен объединенной системой жидкостного охлаждения и смазки.
Недостатки такого двигателя - сложность создания компрессии, малая эффективность охлаждения секторных поршней, большие механические потери уплотнительного контура.
Недостатки роторно-лопастного двигателя хорошо известны - это и низкий ресурс механизма связи лопастей, и большие механические потери, создаваемые уплотнительным контуром и трудность охлаждения рабочих органов.
Снизить механические потери можно созданием компрессии с применением бесконтактного уплотнения, однако соосная конструкция с попарно закрепленными на соосных валах секторными поршнями не позволяет создать малый зазор между корпусом камеры и рабочим органом.
Известны роторно-лопастные двигатели с секторными поршнями на соосных валах (патент RU 2031248, приоритет от 18.09.1992, патент US 7721701, приоритет от 12.01.2007 и патент RU 2175720, приоритет от 27.01.1999). Такое соосное расположение валов не устраняет вышеизложенные недостатки.
Несоосная установка лопастей (патент RU 2467175, приоритет от 18.01.2011) на подшипниках качения позволяет максимально уменьшить зазор бесконтактного уплотнения примерно до 20 микрон и уменьшить механические потери, но бесконтактное уплотнение не устраняет другие недостатки, которые связаны с применением цикла Отто или Дизеля.
Применение этих циклов создаст большие утечки рабочего тела через зазоры бесконтактного уплотнения, а большие динамические нагрузки снизят ресурс роторно-лопастного двигателя.
Задача по увеличению ресурса механизма связи лопастей может решаться, и увеличением мощности планетарной передачи и кривошипно-шатунного механизма (патент US 7721701, приоритет от 12.01.2007, патент RU 2467175, приоритет от 18.01.2011) и применением вспомогательной камеры воспламенения (патент SU 494884, приоритет от 21.03.1973 и патент RU 2198307, приоритет от 26.07.2000), поскольку применение такой камеры снижает динамические нагрузки на механизм связи лопастей.
За прототип принят роторно-лопастной двигатель (патент RU 2467175, приоритет от 18.01.2011), имеющий полый корпус, две пары лопастей, делящие камеру на четыре камеры переменного объема, рычаги, жестко связанные с валами лопастей, сателлитные шестерни, связанные с помощью кривошипно-шатунного механизма с соответствующим рычагом, причем механизм связи лопастей выполняется двумя установленными с двух торцов камеры планетарными механизмами, водила которых неподвижно соединяются друг с другом, в каждом планетарном механизме имеется один рычаг, шатун и сателлитная шестерня, имеющая внутреннее зацепление с неподвижным внешним центральным колесом, количество зубьев которого в два раза больше количества зубьев сателлитной шестерни.
В таком роторно-лопастном двигателе не решены задачи по охлаждению лопасти и увеличению ресурса механизма связи лопастей.
Применяемые термины
Асимметричное вращение лопастей задается относительными размерами деталей механизма связи лопастей и заключается в неравенстве двух объемов рабочей камеры. Один объем образуется в рабочей камере при повороте выходного вала по часовой стрелке из положения «мертвая точка» на острый угол, например 15 градусов, и другой объем образуется в рабочей камере при повороте выходного вала против часовой стрелки из положения «мертвая точка» на тот же острый угол. Направление вращения, при котором в рабочей камере образуется больший объем названо «прямым», соответственно, противоположное направление, названо «обратным». Определение этих направлений вращения по относительному положению деталей приводится далее в описании.
Диффузионное горение - горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Для возникновения диффузионного горения необходимо, чтобы топливо было нагрето источником зажигания до температуры воспламенения, таким источником нагрева в роторно-лопастном двигателе является канал предкамеры и элемент накаливания, имеющийся внутри предкамеры.
Запирающий элемент - запирающий элемент воздушного клапана, создаваемого рабочей поверхностью лопасти, названной запорной поверхностью. Запирающий элемент предназначен для перекрытия движения газов через окна газообмена.
Компрессия определяется максимальным давлением сжатия в рабочей камере.
Лопасть - вращающийся рабочий орган роторно-лопастного двигателя, выполненный в виде секторного поршня. Поверхность лопасти, подверженная непосредственному воздействию рабочего тела, названа рабочей. Лопасть имеет фронтальную, тыльную и запорную рабочие поверхности. Фронтальная поверхность, при вращении лопасти, первой достигает грань окна, соответственно, тыльная поверхность достигает грань окно позднее. Запорная поверхность наиболее удалена от оси вращения лопасти и является запирающим элементом воздушного клапана. Лопасть, в зависимости от разности плеч рычагов, двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов, называется опорной или лидирующей. Лидирующая лопасть имеет большее плечо рычага, большую скорость вращения. Лидирующая лопасть после выхода из мертвой точки имеет большую скорость вращения, чем опорная лопасть.
Лидирующая лопасть - смотри «лопасть».
Мертвая точка - положение рабочей камеры, в котором действие сил рабочего тела не вызывают вращения выходного вала. Этот термин заимствован из описания поршневого двигателя. Для описания рабочего процесса введено понятие верхней и нижней мертвой точки. В нижней мертвой точке рабочая камера находится между впускным и выпускным окном и имеет минимальный объем. Положение верхней мертвой точки диаметрально противоположно нижней мертвой точке.
Многотопливный двигатель - двигатель, обладающий свойством многотопливности, т.е. способности работать помимо основного топлива, например бензина, также на дизельном топливе, керосине и других видах жидкого и газообразного топлива.
Нижняя мертвая точка - смотри «мертвая точка».
Обратное вращение лопастей или обратное направление вращения лопастей - смотри определение «Асимметричное вращение лопастей».
Окна и каналы газообмена - отверстие или вырез в камере, через которое происходит движение газов внутрь или наружу рабочей камеры.
Опорная лопасть - смотри «лопасть».
Предкамера - камера сгорания, расположенная вне полости рабочей камеры и предназначенная для сгорания основной массы топлива.
Прямое вращение лопастей или прямое направление вращения лопастей - смотри «Асимметричное вращение лопастей».
Сектор верхней мертвой точки - сектор камеры, в котором рабочая камера находится в положении верхней мертвой точки.
Сектор нижней мертвой точки - сектор камеры, в котором, рабочая камера, находящаяся в положении нижней мертвой точки.
Сектор сжатия - сектор половины камеры, разделенной пополам границей, проходящей через мертвые точки и включающий впускное окно. В этом секторе осуществляется впуск и сжатие свежей порции воздуха.
Сектор расширения - сектор половины камеры, не относящийся к сектору сжатия. В этом секторе осуществляется догорание топлива, рабочий ход и выпуск отработанных газов.
Четырехтактный цикл в роторно-лопастном двигателе включает четыре четырехтактных цикла за один полный оборот выходного вала. Циклы впуска и сжатия воздуха, рабочий ход и выпуск отработанных газов производятся в четырех вращающихся рабочих камерах одновременно.
Сущность роторно-лопастного двигателя
Две пары лопастей, выполненные на двух полых валах, делят камеру на четыре рабочих камеры переменного объема. Камера имеет каналы и окна газообмена. Механизм связи лопастей выполнен неподвижным соединением водил двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов, установленных с торцов камеры. Предкамера вынесена за пределы камеры. Форсунка установлена в предкамере. Соединительный канал соединяет предкамеру с рабочей камерой и делится перегородкой на участок впуска и выпуска. Имеется бесконтактное уплотнение, в виде зазора, свеча накаливания с элементом накаливания. Предкамера теплоизолированная, выполняется каналом, в виде дуги, огибающей перегородку. Запирающий элемент воздушного клапана выполнен наиболее удаленной от оси вращения лопасти рабочей поверхностью лопасти, с возможностью перекрытия окон газообмена. Расстояние между окнами газообмена предкамеры выполняется с возможностью перекрытия этих окон, при повороте выходного вала из мертвой точки минимум на 8 и максимум на 20 градусов.
Кроме того, степень сжатия не менее 40.
Кроме того, вращение выходного вала и лопастей направлено от сектора верхней мертвой точки в направлении окна выпуска предкамеры и перегородки.
Кроме того, окно выпуска предкамеры расположено в секторе расширения, напротив запирающего элемента лидирующей лопасти, находящейся в верхней мертвой точке.
Кроме того, элемент накаливания является частью внутренней поверхности канала предкамеры, он находится на участке впуска и изгиба, и имеет поверхность вихреобразования, выполненную рядами шипов или ребер.
Кроме того, свеча накаливания выполняется с возможностью принудительного накала элемента накаливания.
Кроме того, окно впуска предкамеры находится в секторе сжатия и включает минимум половину сектора верхней мертвой точки.
Кроме того, рабочая поверхность лопасти, наиболее удаленная от оси вращения является запорной поверхностью, все окна газообмена выполнены напротив запорной поверхности.
Кроме того, имеется масляное наружное охлаждение камеры, маслом планетарных кривошипно-шатунных механизмов, с возможностью исключения проникновения масла в камеру.
Кроме того, имеется бесконтактное уплотнение в виде зазора между поверхностями валов лопастей.
Кроме того, ширина камеры сужается с удалением от оси вращения лопасти.
Кроме того, лопасть, в основном полая, имеет центральное несущее ребро, облегченное вырезами и ребра жесткости.
Кроме того, центры масс планетарных кривошипно-шатунных механизмов расположены максимально диаметрально, с возможностью взаимного уравновешивания.
Сущность способа вращения лопастей в роторно-лопастном двигателе, имеющем асимметричное вращение лопастей, в том, что вращение лопастей осуществляется в прямом направлении, а именно от верхней мертвой точки к перегородке и противоположно указанию угла, образованного шарнирным соединением рычага с шатуном.
Кроме того, углы шарнирных соединений рычага с шатуном, двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов направлены одинаково, а именно оба угла направлены против часовой стрелки или оба угла направлены по часовой стрелке.
Сущность способа воздушного охлаждения лопасти, имеющей фронтальную, тыльную, запорную поверхности, центральное несущее ребро и ребра жесткости, заключается в наружном охлаждении запорной поверхности опорной лопасти потоком воздуха, поступающим в рабочую камеру через впускной канал и внутренним охлаждением лопасти проточным потоком воздуха, нагнетаемым внутрь полости лопасти, через два окна входа, и выходящим из полости лопасти через два окна выхода, окна выполнены в торцевой поверхности камеры, в секторе сжатия и примыкают к сектору нижней мертвой точки.
Сущность способа диффузионного горения топлива в роторно-лопастном двигателе, имеющем четыре четырехтактных цикла, за один полный оборот выходного вала, в секторе сжатия производится впуск воздуха через впускное окно, сжатие воздуха и вытеснение воздуха в предкамеру через окно впуска, в предкамере производится впрыск топлива и его самовоспламенение, в секторе расширения производится перепуск рабочего тела из предкамеры в рабочую камеру через окно выпуска, расширение рабочего тела и выпуск отработанных газов через выпускное окно, в том, что вытеснение воздуха в предкамеру через окно впуска сопровождается диффузионным горением топлива в предкамере и нагревом элемента накаливания, перекрытие окон предкамеры производится при повороте выходного вала из мертвой точки, минимум на 8 и максимум на 20 градусов, при этом топливо продолжает горение в замкнутом объеме предкамеры, открытие окна выпуска проходит в положении перекрытия запорной поверхности опорной лопасти перегородкой.
Кроме того, впрыск топлива форсункой осуществляется на участке от впуска до изгиба канала предкамеры.
Кроме того, впрыск топлива форсункой осуществляется на последнем этапе сжатия воздуха, до поворота выходного вала в мертвую точку.
Кроме того, в процессе запуска роторно-лопастного двигателя свеча накаливания совершает нагрев элемента накаливания до температуры, не ниже температуры самовоспламенения топлива, после запуска роторно-лопастного двигателя свеча накаливания отключается от источника электропитания и самовоспламенение топлива осуществляется от воздействия высокой температуры канала предкамеры и элемента накаливания.
Кроме того, открытие окна выпуска проходит в положении перекрытия запорной поверхности опорной лопасти перегородкой, при повороте выходного вала не менее чем на 3 градуса.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении ресурса роторно-лопастного двигателя, повышении эффективности сгорания топлива, упрощении механизма создания компрессии, снижении механических потерь на трение, повышении эффективности охлаждения лопасти, упрощении механизма охлаждения лопасти, снижении термической напряженности лопасти и роторно-лопастного двигателя, снижении вибрации, обеспечении работы двигателя на топливе с низкой детонационной стойкостью и создании многотопливного двигателя.
Такая высокая степень сжатия, не менее 40, позволяет переместить большую часть воздуха из рабочей камеры в предкамеру при относительно низкой компрессии.
Такая теплоизолированная предкамера, элементы накаливания и поверхность вихреобразования создают условия для равномерного смешивания воздуха с топливом в предкамере, при температуре, превышающей температуру воспламенения топлива, что обеспечивает диффузионное горение части топлива, даже с низкой детонационной стойкостью, повышает эффективность сгорания топлива и позволяет создать многотопливный двигатель.
Такое сгорание топлива в замкнутом объеме предкамеры, выполненной в виде дуги, огибающей перегородку, повышает эффективность сгорания топлива, поскольку остаточные газы от предыдущего цикла оттесняются воздухом в направлении окна выпуска, сгорание происходит при высокой температуре, до 2000°С, и давлении порядка 4 мПа, за промежуток времени, соответствующий повороту выходного вала из мертвой точки, минимум на 8 и максимум на 20 градусов. За такой короткий промежуток времени топливо практически полностью сгорает в предкамере благодаря высокой температуре и давлению.
Такое расстояние между окнами газообмена предкамеры снижает термическую напряженность лопасти, поскольку обеспечивает практически полное сгорание топлива в замкнутом объеме предкамеры, где горячие газы имеют малую площадь теплового воздействия на лопасть.
Такое открытие окна выпуска в положении перекрытия запорной поверхности опорной лопасти перегородкой при повороте выходного вала не менее чем на 3 градуса снижает термическую напряженность лопасти.
Такая конструкция предкамеры и такое асимметричное и прямое вращение лопастей снижает термическую напряженность лопасти и роторно-лопастного двигателя, поскольку обеспечивает более быстрое снижение давления рабочего тела, в начале рабочего хода, по сравнению с вращением лопастей в противоположном направлении.
Такая конструкция механизма связи лопастей, имеющего шестерни и кривошипно-шатунный механизм большой мощности, и такой рабочий процесс с относительно низким давлением рабочего тела в рабочей камере и более плавным изменением этого давления приводит к значительному снижению нагрузок на механизм связи лопастей и позволяет увеличить ресурс роторно-лопастного двигателя.
Такое бесконтактное уплотнение, в виде зазора, упрощает механизм создания компрессии, имеет низкую утечку газов и снижает механические потери на трение в уплотнительном контуре.
Такая низкая утечка газов из предкамеры через зазоры бесконтактного уплотнения, при давлении в предкамере, порядка 4 мПа объясняется относительно маленьким периметром зазоров в окнах предкамеры и кратковременностью такого высокого давления.
Такая низкая утечка газов из рабочей камеры, через зазоры бесконтактного объясняется значительно меньшим максимальным давлением рабочего тела в рабочей камере и прямым вращением лопастей, обеспечивающим более быстрое снижение давления рабочего тела, в начале рабочего хода лопасти.
Такой способ воздушного охлаждения лопасти позволяет эффективно охлаждать лопасть и упрощает механизм охлаждения лопасти.
Такое максимально диаметральное расположение центров масс планетарных кривошипно-шатунных механизмов снижает вибрацию.
На Фиг. 1 представлено устройство роторно-лопастного двигателя с неподвижным соединением водил двух планетарных, кривошипно-шатунных механизмов, установленных с торцов камеры. Каналы и окна газообмена не показаны.
На Фиг. 2 представлена схема камеры с лопастями в мертвой точке. Пунктирные полуокружности отмечают сектор сжатия (C1) и сектор расширения (С2). Стрелки указывают направление вращения лопастей, движение воздуха, рабочего тела и отработанных газов. Черные круги отмечают расположение окон входа и выхода в камере. Свеча накаливания не показана, поскольку может выполняться в одном корпусе с элементом накаливания. Отмечено два возможных положения форсунки, используемой для впрыска топлива на участке от впуска до изгиба канала предкамеры. Теплоизолированный слой предкамеры отмечен неметаллической штриховкой.
На Фиг. 3 представлено сечение лопасти и камеры сечением, проходящим через два окна входа и два окна выхода в торцевых поверхностях камеры. Стрелки указывают движение проточного потока воздуха, используемого для внутреннего охлаждения лопасти. Камера представлена в виде трапеции, имеющей сужение ширины с удалением от оси вращения лопасти.
На Фиг. 4 представлена схема положения лопастей в мертвой точке (0°), угол между радиусами через центр лопастей, далее - между лопастями равен 34°3', стрелкой отмечено направление вращения лопастей. Указано максимальное значение углов поворота выходного вала, соответственно, для окна впуска (γ<20°) и перегородки (δ<20°).
На Фиг. 5 представлена схема положения деталей и шарнирных соединений двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов в мертвой точке с неуравновешенными центрами масс. Окружности и эллипсы отмечают траектории подвижных шарнирных соединений. (0°) - означает положение мертвой точки.
На Фиг. 6 представлена схема положения деталей и шарнирных соединений двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов в мертвой точке с уравновешенными центрами масс. Диаметральное расположение сателлитных шестерен отмечено пунктирной линией. Асимметричное вращение лопастей при диаметральном расположении сателлитных шестерен сохраняется при неизменности углов α и β на Фиг. 4 и Фиг. 5, при этом угол схождения лопастей не меняется и равен 34°3'. Направление вращения лопастей указано стрелкой. (0°) -значает положение мертвой точки.
На Фиг. 7 представлен график изменения объема рабочей камеры при прохождении ею мертвой точки. График отражает асимметричность вращения (См. термин «Асимметричное вращение»). График определяет изменение объема (V) рабочей камеры через каждые 5 градусов поворота выходного вала (горизонтальная шкала). Значение «0» - соответствует положению рабочей камеры в мертвой точке. Отрицательный интервал значений, от «-25» градусов до «0» означает сжатие воздуха в секторе сжатия, положительный интервал, от «0» до «20» означает расширение рабочего тела в секторе расширения.
Динамика изменения этого объема в секторе сжатия показана на Фиг. 8 - Фиг. 13, а в секторе расширения Фиг. 14 - Фиг. 19. Для удобства сравнения объемов рабочие камеры с равным углом поворота выходного вала относительно мертвой точки находятся в одном ряду.
На Фиг. 8 рабочая камера находится в секторе сжатия, выходной вал в 5 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 9 рабочая камера находится в секторе сжатия, выходной вал в 10 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 10 рабочая камера находится в секторе сжатия, выходной вал в 15 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 11 рабочая камера находится в секторе сжатия, выходной вал в 20 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 12 рабочая камера находится в секторе сжатия, выходной вал в 25 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 13 рабочая камера находится в секторе сжатия, выходной вал в 30 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 14 рабочая камера находится в секторе расширения, выходной вал в 5 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 15 рабочая камера находится в секторе расширения, выходной вал в 10 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 16 рабочая камера находится в секторе расширения, выходной вал в 15 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 17 рабочая камера находится в секторе расширения, выходной вал в 20 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 18 рабочая камера находится в секторе расширения, выходной вал в 25 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 19 рабочая камера находится в секторе расширения, выходной вал в 30 градусах от мертвой точки.
На Фиг. 20 вид планетарного кривошипно-шатунного механизма в сборке.
На Фиг. 21 индикаторная диаграмма отражает зависимость изменения давления газов в предкамере (штрих - пунктирная линия) и в рабочей камере (основная линия) от угла поворота выходного вала при прохождении выходным валом мертвой точки. Точки 1-6 отделяют основные рабочие процессы.
На Фиг. 22 схема определения направленности углов в шарнирных соединениях двух планетарных кривошипно-шатунных механизмах. Направление углов определяется стрелками, направленными внутрь угла, образованного шарнирным соединением рычага с шатуном. В примере оба угла направлены против часовой стрелки и указывают обратное направление.
Роторно-лопастной двигатель включает полый корпус 1 (Фиг. 1). Четыре лопасти 2 выполнены в виде секторных поршней и делят камеру на четыре рабочие камеры переменного объема. Пара лопастей выполняется одной деталью с полым валом, названным валом лопасти.
Механизм связи лопастей, выполняется неподвижным соединением водил 7, двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов. Водило 7 в примере представлено двумя, жестко соединяемыми между собой деталями 7 и 8, соединение выполнено болтами 11.
Водило 7 и выходной вал выполняются одной деталью. Валы детали 8 жестко соединяются между собой, например, посредством шлицевого соединения.
Планетарный кривошипно-шатунный механизм имеет кривошип 4, сателлитную шестерню 3, шатун 5, неподвижное, внешнее, центральное колесо 6 внутреннего зацепления и рычаг 9. Шарнирные соединения могут иметь вкладыш 13.
Вал рычага 9 и вал лопасти жестко соединяются между собой, лопасть устанавливается на подшипник качения 10. Внешнее центральное колесо 6 жестко крепится в крышке 12.
Камера имеет каналы и окна газообмена. Впускной канал 14 и окно (Фиг. 2) используются для впуска в рабочую камеру воздуха. Выпускной канал 15 и окно и используются для выпуска отработанных газов.
Запирающий элемент воздушного клапана выполнен наиболее удаленной от оси 17 вращения лопасти рабочей поверхностью лопасти, названной запорной поверхностью. Запирающий элемент выполнен с возможностью перекрытия окон газообмена, выполненных в камере, напротив запорной поверхности.
Компрессия в рабочей камере создается бесконтактным уплотнением в виде зазора не менее 15 микрон. Такой зазор имеется между поверхностью лопасти и камеры, а также и между поверхностями валов лопасти. Меньшее значение зазора может привести к его засорению и закоксованности.
Предкамера выполняется каналом в виде дуги. Канал огибает перегородку 22 и разделяется на участок впуска, изгиба и выпуска. Изгибом назван средний участок канала предкамеры, включающий изгиб канала.
Окно впуска 18 предкамеры принадлежит участку впуска, находится в секторе сжатия (C1), примыкает к сектору верхней мертвой точки и включает минимум половину этого сектора.
Окно выпуска 19 принадлежит участку выпуска предкамеры, расположено в секторе расширения (С2), напротив запирающего элемента лидирующей лопасти, находящейся в верхней мертвой точке.
Расстояние между окном впуска 18 и окном выпуска 19 предкамеры выполняется с возможностью перекрытия этих окон, при повороте выходного вала из мертвой точки минимум на 8 и максимум на 20 градусов.
Минимальное значение поворота выходного вала, равное 8 градусам определяется периодом задержки самовоспламенения топлива и минимальным интервалом временем, необходимого для сгорания как можно большей массы топлива в замкнутом объеме предкамеры. Открытие окна выпуска 19 при повороте выходного вала менее чем на 8 градусов ухудшает условия горения.
Максимальное значение поворота выходного вала, равное 20 градусам, определяется минимальным давлением рабочего тела в рабочей камере. Такое давление создается в результате выравнивания давления между предкамерой и рабочей камерой, после открытия окна выпуска 19. Дальнейшее увеличение максимального значения поворота выходного вала ведет к недопустимому снижению мощности двигателя.
Таким образом, интервал значений от 8 до 20 градусов определяет приемлемые условия горения топлива при сохранении мощности двигателя на приемлемом уровне. Этот интервал значений образован объединением двух множеств значений, одно из которых выполняется для вращения лопастей в прямом направлении, а другое в обратном, поэтому максимальное значение при вращении лопастей, например, в прямом направлении будет меньше, чем для вращения лопастей в обратном направлении.
Теплоизоляция предкамеры показана на Фиг. 2 слоем 21, этот слой изолирует поверхности предкамеры от воздействия высокой температуры рабочего тела.
В предкамере установлена минимум одна форсунка 23 и свеча накаливания.
Впрыск топлива форсункой 23 осуществляется на участке от впуска до изгиба канала предкамеры.
В многотопливном роторно-лопастном двигателе применяется более одной форсунки, каждая из которых специализирована для впрыска применяемого вида топлива.
Свеча накаливания выполняется с возможностью принудительного накала, элемента накаливания 20, для чего прилегает к элементу накаливания или выполняется в корпусе элемента накаливания.
Свеча накаливания применяется, в основном, в процессе запуска роторно-лопастного двигателя для накала элемента накаливания 20.
Элемент накаливания 20 является частью внутренней поверхности канала предкамеры 16, находится на участке впуска и изгиба, и имеет поверхность вихреобразования, выполненную, например, рядами шипов или ребер.
Роторно-лопастной двигатель имеет степень сжатия не менее 40 и масляное наружное охлаждение камеры, маслом планетарных кривошипно-шатунных механизмов. При степени сжатия менее 40 большая часть сжатого воздуха останется в рабочей камере и не сможет участвовать в процессе горения поэтому такой роторно-лопастной двигатель не может быть мощным и эффективным.
Исключение проникновения масла в рабочую камеру создается установкой манжеты-сальника между валами лопастей или установкой двух манжет-сальников в зазоры, между выходным валом и валом лопасти.
Ширина камеры сужается с удалением от оси 17 (Фиг. 3) вращения лопасти.
В поверхности камеры сектора сжатия, напротив запорной поверхности лидирующей лопасти, находящейся в нижней мертвой точке, выполняется секторальное углубление 24 (Фиг. 2), в виде увеличенного зазора. Секторальное углубление 24 переходит во впускной канал 14, примыкающий к стенке 25, разделяющей впускной 14 и выпускной 15 канал.
Стенка 25 расположена в секторе сжатия (C1), напротив сектора нижней мертвой точки. Поверхность стенки, принадлежащая к выпускному каналу, находится на границе, отделяющей сектор сжатия (С1) от сектора расширения (С2).
Лопасть 2, в основном полая, имеет центральное несущее ребро 26 (Фиг. 3), облегченное вырезами и ребра жесткости 27, причем торец лопасти, расположенный напротив вала лопасти, имеет пересекающиеся ребра жесткости 28.
Вращение лопастей в камере производится в направлении от сектора верхней мертвой точки к окну выпуска 19 (Фиг. 2).
Вращение вала и лопастей выполняется в прямом направлении. Углы (α) и (β) (Фиг. 22) шарнирных соединений рычага 9 с шатуном 5 двух планетарных кривошипно-шатунных механизмов направлены одинаково, например, или оба угла направлены против по часовой стрелке, или оба угла направлены против часовой стрелки.
Стрелки 32, направленные внутрь шарнирного соединения рычага 9 с шатуном 5 указывают обратное направление вращения вала и лопастей, относительно оси 17. Вращение в прямом направлении осуществляется в противоположную сторону, по стрелке 33.
Механизм связи лопастей выполняется с возможностью асимметричного вращения лопастей.
Центры масс планетарных кривошипно-шатунных механизмов располагаются диаметрально, с возможностью их взаимного уравновешивания. Такое уравновешивание выполняется в основном уравновешиванием масс их сателлитных шестерен.
Лопасть имеет воздушное охлаждение.
Охлаждение лопасти осуществляется способом наружного охлаждения запорной поверхности и внутренним охлаждением проточным потоком воздуха.
Наружное охлаждение запорной поверхности опорной лопасти осуществляется потоком воздуха, поступающим в рабочую камеру через впускной канал 14 (Фиг. 2), впускное окно и секторальное углубление 24.
Внутреннее охлаждение лопасти выполняется проточным потоком воздуха, нагнетаемым внутрь полости лопасти 2. Поток проходит через два окна входа 30 (Фиг. 2, Фиг. 3) и выходит из полости лопасти через два окна выхода 31. Окно входа 30 и окно выхода 31 выполнены в торцевой поверхности камеры, в секторе сжатия (C1), и обе пары окон примыкают к сектору нижней мертвой точки.
Рабочий процесс состоит из четырех четырехтактных циклов, за один полный оборот выходного вала. В секторе сжатия (Фиг. 2) производится впуск воздуха через впускной канал 14 и впускное окно, сжатие воздуха и вытеснение воздуха в предкамеру 16 через окно впуска 18. В секторе расширения (С2) производится перепуск рабочего тела из предкамеры 16 в рабочую камеру через окно выпуска 19, расширение рабочего тела и выпуск отработанных газов через выпускное окно и выпускной канал 15.
В процессе впуска воздуха производится наружное охлаждение запорной поверхности лопасти.
Сжатие воздуха (точки 1-2, основная линия, Фиг. 21) проходит при повышенном давлении остаточных газов, оставшихся в предкамере от предыдущего цикла (точки 1-2, штрих-пунктирная линия).
Впрыск топлива форсункой 23 осуществляется на этапе сжатия воздуха, до поворота выходного вала в верхнюю мертвую точку (0°).
Перепуск воздуха (точки 2-3) сопровождается оттеснением остаточных газов в участок выпуска, самовоспламенением топлива в предкамере 16 и диффузионным горением части топлива.
В верхней мертвой точке (точка 3) окна предкамеры перекрыты, и дальнейшее горение топлива проходит в замкнутом объеме предкамеры на протяжении поворота выходного вала примерно на 10 градусов (точки 3-4) от верхней мертвой точки.
Открытие окна выпуска 19 (точки 4-5) сопровождается выравниванием давления газов рабочей камеры и предкамеры 16.
Основная масса перепускаемого рабочего тела переходит в рабочую камеру, не нагревая запорную поверхность опорной лопасти, поскольку эта поверхность перекрыта перегородкой 22 (Фиг. 15, Фиг. 16) на протяжении не менее 3 градусов поворота выходного вала. В противном случае нагрев запорной поверхности может негативно повлиять на работоспособность двигателя.
Рабочий ход (точки 5-6) проходит при относительно низком давлении и температуре рабочего тела, поэтому нагрев лопастей идет менее интенсивно.
Работа роторно-лопастного двигателя более эффективна в прямом направлении, для которого в начале рабочего хода давление рабочего тела снижается более интенсивно (Фиг. 7), шкала значений от 0 до 20.
Такое прямое направление вращения лопастей применяется, если топливо имеет малое время диффузионного сгорания и соответствует повороту выходного вала на угол от 8 до 15 градусов, в противном случае вращение вала необходимо осуществлять в противоположном, обратном направлении.
Нагрев элемента накаливания осуществляется до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива.
Диффузионное горение топлива в потоке воздуха поддерживает высокую температуру элемента накаливания и высокую турбулентность газов в предкамере.
Большая турбулентность препятствует возникновению детонации, даже при применении низкооктанового топлива.
Свеча накаливания нагревает элемент накаливания в процессе запуска роторно-лопастного двигателя. После запуска свеча накаливания отключается от источника электропитания и самовоспламенение топлива осуществляется от воздействия высокой температуры канала предкамеры и элемента накаливания.