Турбороторный двигатель внутреннего сгорания
Основные конструктивные особенности
Турбороторный двигатель внутреннего сгорания (ТРДВС) содержит корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему подвижных заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. Внутренняя цилиндрическая полость двигателя разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, которые сообщаются между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания. Ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют рабочие камеры переменного объема для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания. Диски ротора развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, а заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения.
Идея разделения внутренней цилиндрической полости двигателя на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через камеры сгорания, оказалась весьма плодотворной, позволила существенно упростить конструкцию двигателя и обеспечить его приведенные далее преимущества.
Прежде всего это позволило в несколько раз повысить мощность двигателя за счет увеличения количества четырехтактных рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора. Их количество и, соответственно, степень повышения мощности двигателя зависит от количества камер сгорания.
При b камерах сгорания в двигателе за один оборот ротора каждый сегментообразный вырез ротора проходит k камер сгорания. При этом в каждом сегментообразном вырезе ротора в полости сжатия происходит k тактов впуска и сжатия, а в полости расширения – по k тактов расширения и выпуска рабочего тела. Поскольку число сегментообразных вырезов в каждой полости равно k/2, то общее число полных термодинамических циклов, совершаемых за один оборот ротора, будет равно:
m = k2/2.
При двух камерах сгорания за один оборот ротора в двигателе будет совершаться два рабочих цикла, при четырех – восемь, при шести – восемнадцать и т.д.
За счет увеличения числа камер сгорания в предлагаемом турбороторном двигателе может быть достигнута удельная мощность, во много раз превышающая удельную мощность современных двигателей.
Объемы рабочих камер в полости расширения при этом могут быть выполнены больше, чем в полости сжатия, что позволяет осуществить в двигателе термодинамические циклы с продолженным расширением, у которых степень расширения рабочего тела больше степени его сжатия. Это дает возможность существенно повысить КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ.
Обеспечить требуемое соотношение объёмов рабочих камер в полостях сжатия и расширения при этом возможно либо за счёт соответствующего выбора ширины дисков ротора в них, либо угловых размеров сегментообразных вырезов ротора. При этом дополнительное повышение КПД и улучшение экологических показателей двигателя может быть достигнуто за счёт организации полного сгорания рабочей смеси при постоянном объёме, что в некоторых источниках трактуется как осуществление 5-тактного цикла, и без затруднений и каких-либо конструктивных изменений может быть обеспечено простым выбором размеров и относительного углового расположения сегментообразных вырезов ротора в полостях сжатия и расширения.
Корпус двигателя может быть выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротор, что существенно упрощает технологию его изготовления.
С целью обеспечения эффективного воздушного охлаждения двигателя диски ротора могут быть снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса могут быть выполнены вентиляционные окна.
Заслонки могут быть подпружинены и выполнены в виде подвижных профилированных соприкасающихся пластинок. Перекрывающиеся каналы впуска рабочей смеси в рабочие камеры полости сжатия и выпуска отработавших газов из рабочих камер полости расширения при этом могут быть выполнены либо в заслонках, либо в боковых крышках корпуса. Впускные каналы в рабочие камеры полости сжатия во втором случае размещаются за заслонками по ходу вращения ротора, а выпускные из полости расширения – перед заслонками. Возможные варианты устройства двигателя в этом случае показаны на Рисунках 1, 2.
На двигатель в этом варианте нами получен патент РФ № 2133845 за 1999 год. Двигатель получился достаточно простым, однако, как показал последующий анализ, обладает весьма существенными недостатками.
Его основным недостатком является то, что герметизация мест контакта заслонок с профилированными поверхностями дисков ротора с помощью сил поджатия их пружинами обеспечивается только при относительно небольшой частоте вращения вала ротора, что весьма существенно ограничивает мощность, которую может развивать двигатель. При увеличении частоты вращения ротора силы поджатия заслонок становятся недостаточными для создания необходимой быстроты их перемещения, что приводит к потере ими контакта с профилированными поверхностями дисков ротора, нарушению герметичности рабочих камер и работоспособности двигателя. Увеличение допустимой частоты вращения и, соответственно, мощности двигателя при этом, вообще говоря, возможно за счёт увеличения сил поджатия заслонок к профилированным поверхностям дисков ротора, однако требует столь значительного их увеличения, что оказывается практически нереализуемым.
Рисунок 1. Вариант двигателя с подпружиненными пластинчатыми заслонками и каналами впуска-выпуска рабочей смеси в рабочие камеры в заслонках.
Рисунок 2. Вариант двигателя с подпружиненными пластинчатыми заслонками и каналами впуска-выпуска рабочей смеси в рабочие камеры в боковых крышках корпуса.
Кроме того, в данном варианте сложно обеспечить герметизацию и смазку мест контакта торцевых поверхностей.
Для устранения отмеченных недостатков нами был разработан вариант двигателя с поворотными заслонками, описание которого приведено ниже и на который получен патент РФ № 2256808 за 2005 год.
В этом варианте на осях вращения заслонок могут быть закреплены силовые рычаги, взаимодействующие с профилированными поверхностями управляющих дисков, установленных на валу ротора, что дает возможность образовать коромысловые механизмы для непрерывного принудительного поворота заслонок по заданному жесткому закону, при котором их угловое положение определяется изменением профилей дисков ротора и управляющих дисков и их положением относительно заслонок независимо от угловой скорости вращения ротора, что позволяет обеспечить постоянный контакт заслонок с профилированными поверхностями дисков ротора и, соответственно, работоспособность двигателя при любой частоте вращения ротора. Выполнение заслонок поворотными, кроме того, позволяет использовать разность давлений в рабочих камерах, где происходит сжатие и впуск, расширение и выпуск рабочего тела, для дополнительного поджатия заслонок к профилированным поверхностям дисков ротора, что также способствует улучшению условий работоспособности двигателя и повышению герметичности рабочих камер, а их выполнение с возможностью перекрытия перепускных каналов камер сгорания – обеспечить их своевременное открытие и закрытие для осуществления газообмена между рабочими камерами полостей сжатия и расширения при любой угловой скорости вращения ротора и не требует для этого каких-либо других устройств.
В боковых стенках полостей сжатия и расширения, контактирующих с торцевыми поверхностями дисков ротора, по окружностям диаметров, равных внутренним диаметрам ободов дисков ротора, могут быть выполнены открытые в сторону полостей кольцевые каналы для подачи смазывающей жидкости, что обеспечивает непрерывную смазку мест контакта дисков ротора и заслонок между собой и элементами корпуса за счет смачивания торцевых поверхностей дисков ротора смазывающей жидкостью вдоль кольцевых каналов и ее распространения по всей поверхности их соприкосновения с боковыми стенками внутренних полостей, а также их цилиндрическим поверхностям под действием центробежных сил, создаваемых при вращении ротора. Излишки смазывающей жидкости, которые при этом могут накапливаться в рабочих камерах двигателя, будут удаляться из них путем испарения и выгорания под действием высокой температуры.
Для предотвращения утечки газов из рабочих камер во внешнюю среду по плоскостям контакта торцевых поверхностей дисков ротора с боковыми стенками полостей сжатия и расширения во внутренней части двигателя могут быть установлены герметизирующие кольца, а для предотвращения их перетекания из рабочих камер с высоким давлением в рабочие камеры с низким давлением в торцевых поверхностях дисков ротора и заслонок, а также вдоль образующих внутренних цилиндрических поверхностей полостей сжатия и расширения могут быть выполнены дренажные канавки, которые образуют уплотнения, аналогичные лабиринтным.
Повышению герметичности рабочих камер и предотвращению утечек из них рабочей смеси будет способствовать также и происходящее в процессе работы двигателя заполнение дренажных канавок и неплотностей между боковыми поверхностями внутренних полостей и торцевыми поверхностями дисков ротора и заслонок смазывающей жидкостью, которая при этом будет выполнять роль уплотнителя.
Устройство и принцип работы
Устройство предлагаемого турбороторного двигателя внутреннего сгорания в четырехкамерном карбюраторном варианте с поворотными заслонками показано на Рисунке 3, а схема его работы – на Рисунке 4.
Турбороторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания 2, снабженными перекрывающимися перепускными каналами 3, 4 и источниками воспламенения 5, ротор 6, профилированные управляющие диски 7, 8 и систему заслонок 9, 10, установленных в пазах корпуса 1 и контактирующих с профилированными внешними поверхностями ротора 6.
Рисунок 3. Роторный двигатель с поворотными заслонками
Корпус 1 выполнен разборным, состоящим из центрального элемента 11, двух статорных элементов 12, 13 с пазами для установки заслонок 9, 10 и двух боковых крышек 14 с местами крепления вала 15 ротора 6. Статорные элементы 12 и 13 образуют самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четыре равномерно размещенных по окружности центрального элемента 11 камеры сгорания 2 с перепускными каналами 3 и 4.
Ротор 6 состоит из двух дисков 16 и 17, установленных на общем валу 15 и размещенных соответственно в полостях сжатия и расширения, на внешних поверхностях каждого из которых выполнены по два чередующихся с цилиндрическими частями сегментообразных выреза, которые вместе с заслонками 9, 10 образуют камеры переменного объема для осуществления термодинамических процессов. Диски 16 и 17 развернуты относительно друг друга так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого.
Профилированные управляющие диски 7 и 8 установлены с внешних сторон двигателя на валу 15.
Заслонки 9 и 10 имеют одинаковую конструкцию, выполнены поворотными с возможностью перекрытия перепускных каналов 3 и 4 камер сгорания 2, снабжены закрепленными на осях их вращения 18 силовыми рычагами 19 и 20, взаимодействующими с профилированными поверхностями управляющих дисков 7, 8, попарно размещены около каждой камеры сгорания 2, причем заслонки 9 каждой пары установлены в полости сжатия, а заслонки 10 – в полости расширения.
За заслонками 9 по направлению вращения ротора 6 в статорном элементе 12 полости сжатия выполнены перекрывающиеся впускные каналы 21, а перед заслонками 10 в статорном элементе 13 полости расширения – перекрывающиеся выпускные каналы 22.
Объемы сегментообразных вырезов ротора 6 в полости расширения за счет большей ширины диска 17 выполнены больше, чем в полости сжатия.
В боковых стенках полостей сжатия и расширения, контактирующих с торцевыми поверхностями дисков 16 и 17 ротора 6, по окружности диаметров, равных внутренним диаметрам ободов дисков 16 и 17 ротора 6, выполнены открытые в сторону полостей кольцевые каналы 23 для подачи смазывающей жидкости.
По плоскостям контакта торцевых поверхностей дисков 16 и 17 ротора 6 с боковыми стенками полостей сжатия и расширения во внутренней части двигателя установлены герметизирующие кольца 24, а в торцевых поверхностях дисков 16 и 17 ротора 6 и заслонок 9, 10 выполнены дренажные канавки 25 и 26.
Диски 16 и 17 ротора 6 и управляющие диски 7, 8 снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости 27 и 28, а во внутренних частях центрального элемента 11 и боковых крышек 14 корпуса 1 выполнены вентиляционные окна 29 и 30.
Двигатель работает следующим образом.
Рисунок 4. Схема работы двигателя
При вращении ротора 6 одновременно вращаются и насаженные на одном с ним валу 15 управляющие профилированные диски 7 и 8. При этом в результате взаимодействия заслонок 9, 10 и связанных с ними силовых рычагов 19, 20 с профилированными поверхностями дисков 16 и 17 ротора 6 и управляющих дисков 7, 8 заслонки 9, 10 поворачиваются, то открывая, то закрывая перепускные каналы 3 и 4 камер сгорания 2. Когда перед какой-либо камерой сгорания 2 проходит сегментообразный вырез диска 16, то установленные около нее заслонки 9 и 10 повернуты так, что перепускной канал 3 камеры сгорания 2 со стороны полости сжатия открыт, а перепускной канал 4 со стороны полости расширения перекрыт заслонкой 10, впускной канал 21 в полости сжатия открыт, а выпускной канал 22 в полости расширения перекрыт цилиндрической частью диска 17. В это время в уменьшающейся рабочей камере, образованной сегментообразным вырезом диска 16 перед заслонкой 9, происходит сжатие рабочей смеси, впущенной в нее при прохождении предыдущей заслонки 9, и нагнетание ее в камеру сгорания 2 через перепускной канал 3. Одновременно в увеличивающуюся рабочую камеру за заслонкой 9 производится впуск свежего заряда рабочей смеси через открытый впускной канал 21. Когда следующая за сегментообразным вырезом цилиндрическая часть диска 16 в процессе поворота достигнет рассматриваемой камеры сгорания 2, сжатие рабочей смеси заканчивается и перепускной канал 3 перекрывается заслонкой 9 на все время прохождения цилиндрической части диска 16 мимо камеры сгорания 2. В момент перекрытия перепускного канала 3 или несколько раньше производится воспламенение рабочей смеси в камере сгорания 2 источником воспламенения 5 и начинается процесс ее горения. К этому времени перед рассматриваемой камерой сгорания 2 оказывается сегментообразный вырез диска 17. Заслонка 10 в полости расширения поворачивается, открывая перепускной канал 4, и начинается процесс расширения образующихся при сгорании рабочей смеси газов в увеличивающуюся рабочую камеру за заслонкой 10. В процессе расширения совершается полезная работа по вращению ротора 6. Одновременно производится выпуск отработавших в рабочем цикле предыдущей камеры сгорания 2 газов из уменьшающейся рабочей камеры полости расширения перед заслонкой 10 через открытый выпускной канал 22. Расширение продолжается до тех пор, пока сегментообразный вырез диска 17 не достигнет следующей заслонки 10, через выпускной канал 22 перед которой будет произведен выпуск отработавших в рассматриваемом рабочем цикле газов.
Смазывающая жидкость подается в кольцевые каналы 23, где смачивает торцевые поверхности дисков 16 и 17 ротора 6 и распространяется в виде тонкой пленки по всей поверхности их соприкосновения с боковыми стенками внутренних полостей, а также их цилиндрическим поверхностям под действием центробежных сил, создаваемых при вращении ротора 6, обеспечивая непрерывную смазку мест контакта дисков 16 и 17 ротора 6 и заслонок 9, 10 между собой и элементами корпуса 1. Излишки смазывающей жидкости, которые могут при этом накапливаться в рабочих камерах двигателя, будут удаляться из них путем испарения и выгорания под действием высокой температуры.
При вращении ротора 6 установленные под углом к осям дисков 7, 8, 16 и 17 ребра жесткости 27 и 28 осуществляют прокачку воздуха через вентиляционные окна 29 и 30 центрального элемента 11 и боковых крышек 14 корпуса 1, обеспечивая воздушное охлаждение двигателя.
Аналогично устроен и работает двигатель при любом другом количестве камер сгорания и в дизельном варианте. В дизельном варианте в рабочие камеры полости сжатия впускается воздух, а вместо источников воспламенения 5 в камерах сгорания 2 устанавливаются форсунки для впрыска топлива.
Основные характеристики
Проведенный в статье «Турбороторный двигатель внутреннего сгорания. Термодинамические и индикаторные показатели» расчет показал, что реализация в предлагаемом двигателе термодинамических циклов с продолженным расширением позволит:
- повысить его индикаторный КПД и, соответственно, топливную экономичность по сравнению с известными ДВС на (10-15)% на всех режимах работы;
- снизить температуру отработавших газов при их выпуске из рабочих камер на (250-300)oК, а давление до (0,1-0,15) МПа на всех режимах работы;
- довести индикаторный КПД на номинальном режиме работы (при коэффициенте избытка воздуха α = 1,1…1,2 и коэффициенте наполнения рабочего объема ηv = 0,8…0,9) до (44-51)% в карбюраторном (бензиновом) и до (54-62)% в дизельном варианте;
- обеспечить удельный расход топлива на номинальном режиме работы от 160 до 185 г/(кВт ч) в карбюраторном (бензиновом) и от 135 до 155 г/(кВт ч) в дизельном варианте.
Среднее индикаторное давление цикла на номинальном режиме работы при этом может составлять от 0,45 до 0,55 МПа в карбюраторном (бензиновом ) варианте и от 0,5 до 0,7 МПа в дизельном варианте.
Приведенные выше характеристики двигателя от его размеров не зависят.
Расчетные энергетические характеристики карбюраторного (бензинового) и дизельного автомобильных вариантов предлагаемого двигателя (литровая (Nл) и полная (N) мощность) на номинальном режиме работы в зависимости от его геометрических характеристик (диаметра цилиндрической части ротора (d), ширины дисков ротора в полости сжатия (bc) и полости расширения (bp)), числа камер сгорания (k) и частоты вращения ротора (n) представлены в Таблицах 1 и 2 соответственно.
Для корректного сравнения с известными двигателями приведенные в Таблицах 1 и 2 характеристики определены для значений частот вращения вала ротора, типичных для современных поршневых автомобильных двигателей. Поскольку каких-либо очевидных ограничений конструкция предлагаемого ДВС на частоту вращения ротора при этом не накладывает, то она и, соответственно, его мощность по сравнению с приведенными могут быть пропорционально увеличены.
Литровая мощность от изменения линейных размеров двигателя не зависит и определяется количеством используемых в нем камер сгорания, а полная мощность возрастает пропорционально увеличению ширины дисков ротора и квадрату увеличения диаметра его цилиндрической части.
| k | d, мм |
bc, мм |
bp, мм |
n, об/мин |
Nл, кВт/л |
N, кВт |
| 4 | 200 | 20 | 50 | 4000 | 85,8 - 104,6 | 14,3 - 17,5 |
| 8000 | 171,6 - 209,2 | 28,6 - 35,0 | ||||
| 40 | 100 | 4000 | 85,8 - 104,6 | 28,6 - 35,0 | ||
| 8000 | 171,6 - 209,2 | 57,2 - 70,0 | ||||
| 300 | 20 | 50 | 4000 | 85,5 - 104,6 | 32,2 - 39,3 | |
| 8000 | 171,0 - 209,2 | 64,4 - 78,6 | ||||
| 40 | 100 | 4000 | 85,5 - 104,6 | 64,4 - 78,6 | ||
| 8000 | 171,0 - 209,2 | 128,8 - 157,2 | ||||
| 6 | 300 | 20 | 50 | 4000 | 128,5 - 156,9 | 21,6 - 26,4 |
| 8000 | 257,0 - 313,8 | 43,2 - 52,8 | ||||
| 40 | 100 | 4000 | 128,5 - 156,9 | 43,2 - 52,8 | ||
| 8000 | 257,0 - 313,8 | 86,4 - 105,6 | ||||
| 400 | 20 | 50 | 4000 | 128,7 - 157,2 | 38,5 - 47,0 | |
| 8000 | 257,4 - 314,4 | 77,0 - 94,0 | ||||
| 40 | 100 | 4000 | 128,7 - 157,2 | 77,0 - 94,0 | ||
| 8000 | 257,4 - 314,4 | 144,0 - 188,0 | ||||
| 8 | 400 | 20 | 50 | 4000 | 171,8 - 209,9 | 29,1 - 35,5 |
| 8000 | 346,6 - 419,8 | 58,2 - 71,0 | ||||
| 40 | 100 | 4000 | 171,8 - 209,9 | 58,2 - 71,0 | ||
| 8000 | 343,6 - 419,8 | 126,4 - 142,0 | ||||
| 500 | 20 | 50 | 4000 | 171,5 - 209,6 | 45,2 - 55,3 | |
| 8000 | 343,0 - 419,2 | 45,2 - 55,3 | ||||
| 40 | 100 | 4000 | 171,5 - 209,6 | 45,2 - 55,3 | ||
| 8000 | 343,0 - 419,2 | 180,8 - 221,2 |
| k | d, мм |
bc, мм |
bp, мм |
n, об/мин |
Nл, кВт/л |
N, кВт |
| 4 | 200 | 20 | 50 | 2500 | 59,8 - 83,5 | 10,0 - 14,0 |
| 5000 | 119,6 - 167,0 | 20,0 - 28,0 | ||||
| 40 | 100 | 2500 | 59,5 - 83,3 | 19,9 - 27,8 | ||
| 5000 | 119,0 - 166,6 | 39,8 - 55,6 | ||||
| 300 | 20 | 50 | 2500 | 59,4 - 83,4 | 22,3 - 31,4 | |
| 5000 | 118,8 - 166,8 | 22,3 - 31,4 | ||||
| 40 | 100 | 2500 | 59,5 - 83,4 | 44,8 - 62,7 | ||
| 5000 | 119,0 - 166,8 | 89,6 - 125,4 | ||||
| 6 | 300 | 20 | 50 | 2500 | 89,2 - 125,0 | 15,0 - 21,0 |
| 5000 | 178,4 - 250,0 | 30,0 - 42,0 | ||||
| 40 | 100 | 2500 | 89,3 - 125,0 | 30,1 - 42,1 | ||
| 5000 | 178,6 - 250,0 | 60,2 - 84,2 | ||||
| 400 | 20 | 50 | 2500 | 89,3 - 124,9 | 26,7 - 37,4 | |
| 5000 | 178,6 - 249,8 | 53,4 - 74,8 | ||||
| 40 | 100 | 2500 | 87,4 - 124,9 | 53,4 - 74,7 | ||
| 5000 | 174,8 - 249,8 | 106,8 - 149,4 | ||||
| 8 | 400 | 20 | 50 | 2500 | 119,0 - 160,6 | 20,1 - 28,2 |
| 5000 | 238,0 - 333,2 | 40,2 - 56,4 | ||||
| 40 | 100 | 2500 | 119,0 - 166,6 | 40,3 - 56,4 | ||
| 5000 | 238,0 - 333,2 | 80,6 - 112,8 | ||||
| 500 | 20 | 50 | 2500 | 119,1 - 166,9 | 31,4 - 44,0 | |
| 5000 | 238,2 - 333,8 | 62,8 - 88,0 | ||||
| 40 | 100 | 2500 | 119,1 - 166,7 | 62,8 - 88,0 | ||
| 5000 | 238,2 - 333,4 | 125,6 - 176,0 |