Роторный двигатель внутреннего сгорания.
Новые решения и возможности

Современному двигателестроению предложено множество различных проектов роторных двигателей внутреннего сгорания, целью которых является создание работоспособного двигателя, который при небольших размерах и достаточно простой конструкции должен быть мощным, обладать большим крутящим моментом и высоким КПД. Добиться этого в рамках известных конструкций роторно-поршневых, роторно-лопастных и двигателей планетарного типа вследствие присущих им неустранимых недостатков (см. статью Роторные двигатели внутреннего сгорания. Достоинства и недостатки) не удалось, что, однако, не говорит о том, что указанная цель не может быть достигнута с помощью других конструктивных решений.

Нами разработан и запатентован роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий 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.

Подробное описание конструкции и принципа его работы приведено на странице нашего сайта Турбороторный двигатель внутреннего сгорания.

В двигателе реализован целый ряд новых технических решений, позволяющих достичь указанных выше целей простыми средствами.

В первую очередь к ним следует отнести:

Все это позволяет в несколько раз повысить мощность двигателя, во-первых, за счет уве-личения количества четырехтактных рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора. Так, например, при четырех камерах сгорания в предлагаемом двигателе за один оборот ротора будет совершаться восемь полных четырехтактных термодинамических цикла, в то время как в четырехцилиндровом поршневом двигателе внутреннего сгорания (ПДВС) за два оборота - только четыре, т.е. мощность предлагаемого двигателя при прочих равных условиях будет, по крайней мере, в четыре (!) раза больше, чем у ПДВС. При этом за счет увеличения числа камер сгорания она может быть увеличена еще больше. Кроме того, выполнение ротора симметричным и отсутствие в нем подвижных элементов, которые могут изменять его моменты инерции, не создает препятствий для существенного увеличения угловой скорости его вращения и, соответственно, мощности двигателя.

Выполнение объемов сегментальных вырезов в полости расширения больше, чем в полости сжатия, 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.

Индикаторный КПД предлагаемого двигателя на номинальном режиме работы при этом может быть увеличен до (44-51)% в карбюраторном (бензиновом) и до (54-62)% в дизельном варианте, что на (10-15)% больше, чем у существующих ДВС (см. страницу Турбороторный двигатель внутреннего сгорания).

Обеспечить требуемое соотношение объёмов рабочих камер в полостях сжатия и расширения при этом можно либо за счёт соответствующего выбора ширины дисков ротора в них, либо угловых размеров сегментальных вырезов ротора. При этом может быть достигнуто дополнительное повышение КПД и улучшение экологических показателей двигателя за счёт организации продувки камер сгорания свежим зарядом и полного сгорания рабочей смеси при постоянном объёме, что в некоторых источниках трактуется как осуществление 5-го такта, и без затруднений и каких-либо конструктивных изменений и дополнительных устройств может быть обеспечено простым выбором размеров и относительного углового расположения сегментальных вырезов ротора в полостях сжатия и расширения на углы Δφ1 и Δφ2, как показано на рисунке 1.

осуществление 5-го такта

Рисунок 1.

Не меньшее значение для достижения указанных выше целей имеют такие вопросы как обеспечение смазки двигателя, его охлаждения и герметичности рабочих камер. От их решения существенно зависит работоспособность двигателя.

Вопрос обеспечения смазки двигателя решается весьма просто. Для этого в боковых стенках полостей сжатия и расширения, контактирующих с торцевыми поверхностями дисков ротора, по окружностям диаметров, равных внутренним диаметрам ободов дисков ротора, выполняются 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 (см. страницу Турбороторный двигатель внутреннего сгорания).

Еще проще решается вопрос охлаждения двигателя. В силу того, что поверхности наиболее нагреваемых частей в нашем двигателе (центрального элемента с камерами сгорания и статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения) доступны как с внешней, так и с внутренней стороны, возможно их эффективное охлаждение путем обдува воздухом. При этом, если при необходимости обдува двигателя с внешней стороны нужно дооснастить его вентилятором, то для обдува с внутренней – достаточно ребра жесткости дисков ротора и управляющих дисков установить под углом к их осям, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса выполнить вентиляционные окна (см. Турбороторный двигатель внутреннего сгорания).

Наиболее сложной и проблемной является задача обеспечения герметичности рабочих камер двигателя.

Рассмотрение его конструкции показывает, что для этого необходимо герметизировать места контакта следующих элементов:

Герметичность мест контакта статорных элементов с центральным элементом и боковыми крышками корпуса двигателя в силу того, что эти элементы неподвижны относительно друг друга и пятна их контакта плоские, обеспечивается простой установкой между ними уплотнительных прокладок.

Также просто решается вопрос герметизации мест контакта задних цилиндрических частей заслонок с цилиндрическими частями пазов для их установки. Для этого достаточно установить между ними уплотнительные элементы как показано на рисунке 4.

Обеспечить установку подобных уплотнительных элементов в остальных местах контакта элементов двигателя не представляется возможным.

Однако это не говорит о том, что невозможна их герметизация.

Для разработки мер по её обеспечению рассмотрим некоторые особенности рассматриваемых мест контакта элементов двигателя. Их суть может быть проиллюстрирована схемой, приведенной на рисунке 2, и состоит в том, что имеющиеся в двигателе полости высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давления разделены между собой пятнами контакта, образованными прилегающими друг к другу поверхностями подвижных контактирующих тел. Вследствие неточности прилегания контактирующих поверхностей друг к другу в пятнах контакта имеются неплотности, через которые происходит перетекание газовой смеси из ПВД в ПНД. Давление в ПНД при этом всегда постоянно и равно атмосферному, а в ПВД с определенной частотой меняется от атмосферного до некоторого максимального значения и обратно.

контакты элементов двигателя

Рисунок 2.

Задача герметизации в данном случае будет заключаться в предотвращении перетекания газовой смеси через пятна контакта из ПВД в ПНД.

Очевидно, что полностью предотвратить его и обеспечить абсолютную герметичность пятна практически невозможно. Да это и не обязательно. Для обеспечения работоспособности двигателя достаточно, чтобы утечки газовой смеси из ПВД в ПНД не превышали допустимых пределов.

Для её решения прежде всего необходимо стремиться обеспечить высокую точность изготовления и сопряжения контактирующих элементов двигателя и, кроме того, предлагается использовать принцип работы лабиринтных уплотнений, основанный на многократном дросселировании газа, протекающего через каналы с резко меняющимися проходными сечениями (см. /1/), который в нашем случае может быть реализован выполнением ряда дренажных канавок в одном из контактирующих элементов двигателя поперек направления перемещения вдоль пятна контакта между ПВД и ПНД, как показано на рисунке 3.

лабиринтные уплотнения

Рисунок 3.

При последовательном попадании газовой смеси в эти канавки в них будет происходить её расширение и процесс перетекания будет замедляться, причем чем дальше от полости высокого давления, тем больше. Этому же будет способствовать и периодическое изменение давления в ПВД от атмосферного до максимального значения и обратно. При его увеличении давление в дренажных канавках также будет увеличиваться, но будет оставаться меньше, чем в ПВД, и перетекание газа будет происходить в сторону ПНД, а при его последующем достаточно быстром уменьшении оно станет меньше, чем в дренажных канавках, вследствие чего начнется обратный отток газа в ПВД. Так как изменение давления в ПВД происходит с высокой частотой, то между указанными процессами возможно установление динамического равновесия и почти полное прекращение перетекания газа.

Герметизация предложенным способом будет тем эффективнее, чем большее число канавок может быть размещено в пятне контакта между ПВД и ПНД и чем оно длиннее.

Достаточную протяженность для этого имеют пятна контакта:

Возможный вариант размещения дренажных канавок в указанных местах показан на рисунке 4.

размещение дренажных канавок

Рисунок 4.

Повышению герметичности мест контакта торцевых поверхностей заслонок и дисков ротора с боковыми стенками полостей сжатия и расширения будет способствовать также происходящее в процессе работы двигателя заполнение дренажных канавок и неплотностей между ними смазывающей жидкостью, которая будет выполнять роль уплотнителя.

Что касается места контакта заслонок с профилированными поверхностями дисков ротора, то его герметизация указанным способом, к сожалению, неосуществима, вследствие того, что пятно его контакта вырождается в линию (см. рисунок 4) и размещение дренажных канавок в нем невозможно.

Его герметизация осуществляется путем:

Таким образом из изложенного следует, что с помощью приведенных выше решений практически все трудности и проблемы на пути создания работоспособного роторного двигателя внутреннего сгорания могут быть преодолены и такой двигатель может быть создан.

Е.В. Лаптев. Самара, январь 2016 года.

Список использованных источников

  1. http://www.ngpedia.ru/id539836p1.htm