Перспективний роторний ДВЗ
Автори пропонують повернутися до давно відомого способу перетворення енергії, заснованого на дії робочого тіла на лопаті (лопатки, що висуваються) колеса (ротора). Для його здійснення (рис. 1) порожнистий циліндр 1 певної форми (корпус) поміщений ротор 3, ободна поверхня якого утворює з внутрішніми стінками корпусу функціональні порожнини 2 і 11. Між порожнинами існують перегородки 4 (переходи), де ободна поверхня ротора стикається з корпусом. Вони поділяють порожнини, що мають синусоїдальний (в поздовжньому перерізі) профіль, на робочі та допоміжні, і розташовані по черзі по колу корпусу. На початку допоміжної порожнини в процесі обертання ротора є впускне вікно 5, а наприкінці робочої — випускне 6. З торців корпус прикритий кришками (елементи корпусу), які одночасно служать і опорами цапф вала ротора. З тіла ротора за допомогою висувного пристрою (на малюнку не показано) відповідно до такт роботи двигуна висувається або робоча 7, або допоміжна 12 лопатки, які складають пару і розташовані паралельно на деякій відстані один від одного. Між лопатками кожної пари є поглиблення на обід ротора, що утворює камеру згоряння.
Висувний пристрій має у своїй основі кривошипно-шатунний механізм, який, залежно від варіантів свого виконання, визначає профіль порожнин. Він може бути повноперіодним (патент № 37389-1 РФ), напівперіодним (заявка № 2003137506-П на винахід, заявка № 2005135278-Ш на винахід).
На рис. 1, а зображена схема двигуна з чотирма парами лопаток, але можливі інші варіанти. Усі вони працюють приблизно однаково.
Припустимо, що у вихідному стані допоміжна порожнина 2 заповнена паливоповітряною сумішшю. При повороті ротораза стрілкою його допоміжна (задня) лопатка, висуваючись із тіла ротора, своєю передньою поверхнею стискає суміш. У цей час за задньої її поверхнею створюється розрідження, що сприяє всмоктування нової порції суміші через впускне вікно в дану порожнину. У момент, коли лопатка проходить допоміжну порожнину (зона компресора), закінчується такт газозабору (стиснення та впуск). Суміш у камері згоряння, тобто в зоні переходу, що розділяє допоміжну та робочу порожнини, де розташована свічка 9 запалювання, має потрібний ступінь стиснення. Іскра підпалює суміш (рис. 1 б), і поки камера згоряння знаходиться в зоні переходу, горіння йде при постійному обсязі. Надалі, після проходу ротором зони 4 переходу, висувається робоча (передня) лопатка, яка і сприймає тиск газів, перетворюючи його на обертальний рух ротора. Своєю передньою поверхнею вона виштовхує залишки газів попереднього такту, що відпрацювали, через випускне вікно.
Таким чином, здійснено такт "робочий хід" (розширення та випуск).
Ці процеси для діаметрально розташованих пар лопаток відбуваються аналогічно, а суміжних — відстають (випереджають) на такт роботи двигуна.
Як бачимо, режим роботи цього двигуна відповідає режиму роботи двигуна подвійної дії. І тоді при очевидній двохтактності (такти "газозабір-робочий хід") для порції суміші відбуваються всі фази, властиві чотиритактному двигуну. Причому без погіршення процесу газообміну.
На рис. 2 показана індикаторна діаграма робочого циклу двигуна, що розглядається. На ній ділянка (а - b) - впуск свіжої порції суміші; (b - с) - інерційне заповнення порожнини сумішшю (лопатки у зоні переходу); (с - d) - стиск; у точці d суміш підпалюється іскрою свічки; (d - е) - горіння при незмінному обсязі(камера згоряння знаходиться у зоні переходу); (e - f) - Політропне розширення (робочий хід); (f - g) – робоча лопатка досягла випускного вікна; (g - h) - подальше падіння тиску в робочій порожнині доки лопатки знаходяться в зоні переходу; (h - a) - виштовхування відпрацьованих газів передньою поверхнею робочої лопатки; (i - a) - робоча лопатка поєднується з випускним вікном, тиску з обох боків її вирівнюються.
Для зменшення охолодної поверхні робочої порожнини бажано, щоб поверхня максимально висунутої робочої лопатки мала форму квадрата або хоча б її висота не перевищувала величину висування більш ніж удвічі.
Габаритні розміри двигуна визначаються виходячи з розмірів ротора (з урахуванням величини висування та висоти лопаток). Якщо поступальна швидкість лопатки така сама, як і поршня звичайного ДВС, т. е. до 15 м/с, очевидно, що частота обертання ротора буде кратно менше, ніж в колінчастого валу поршневого ДВС.
Пропонований роторний двигун має ряд очевидних переваг перед поршневими та відомими роторними ДВС.
Застосований у ньому спосіб перетворення дозволяє унеможливити втрати, характерні для кінематики традиційного поршневого двигуна. Такі, як втрати на тертя через асиметричну реакцію шатуна, де поява бічної сили призводить до додаткового нагрівання та зношування пари "поршень-циліндр". Адже циліндр для поршня грає роль напрямної, в даному випадку лопатки тільки відстежують профіль порожнин, і тиск на їх стінки визначається ступенем пружності ущільнюючих елементів (компресійних скоб), що зменшує вимогу до мастила. Тут немає втрат, пов'язаних з перетворенням поступального руху поршня у обертальний колінчастий вал, де крутний момент забезпечуєтангенціальна складова сили шатуна, а нормальна, знову ж таки, перетворюється на теплоту. У пропонованій схемі теоретично вся діюча на межу лопатки сила тиску газів стає тангенціальною складовою і бере участь у обертанні ротора.
Інерційні втрати у висувному пристрої значно менші, оскільки менші маси та переміщення деталей, що беруть участь у зворотно-поступальному русі. Цей пристрій - допоміжний, його кривошипно-шатунний механізм не відчуває великих навантажень, властивих відповідного механізму поршневого двигуна, де він є основою його силової частини; він менше споживає потужності, ніж класичний КШМ, оскільки він менше деталей, і вони значно менш розосереджені. У ньому відсутні зворотно-поступальні пружини.
Впускні та випускні вікна постійного перерізу в розглянутому двигуні кратно більше, ніж прохідні перерізи поршневого двигуна навіть при чотириклапанному газорозподілі. Завдяки чому забезпечується краще наповнення свіжим зарядом допоміжної порожнини, а також якісніше відбувається випуск газів, що відпрацювали, з робочої порожнини, зменшуються насосні втрати. Нарешті, у двигуні відсутня ефект "перекриття" клапанів, коли частина свіжого заряду потрапляє відразу у випускний тракт.
Камера згоряння даного двигуна має оптимальну форму (краще відношення площі поверхні до її об'єму); процес горіння у ній деякий час, дільниці (d - e), протікає при постійному обсязі. Що дозволяє підвищити ступінь стиснення без небезпеки детонації. Звідси велика економічність і екологічність двигуна.
Допоміжна порожнина завжди холодніше ("гарячий" у ній тільки обід ротора), ніж циліндр. Тим самим легше витримати заданийкоефіцієнт надлишку повітря. Дещо спрощується і система запалення (немає необхідності в розподільнику).
За рахунок значного моменту, що крутить (радіус ротора кратно більше радіуса кривошипа колінчастого валу) можна обійтися без коробки передач. Двигун добре врівноважений, звідси низький рівень вібрацій. Висування лопаток відбувається в такий спосіб, що становище центру мас ротора не змінюється, тому опори цапф його валу не відчувають радіальних навантажень.
Запропонована схема дозволяє створювати, залежно від потрібного ступеня форсування, рівновелику робочу та допоміжну порожнини. Так, якщо обсяг робочої порожнини більше обсягу допоміжної порожнини (дефорсований варіант), то більш повно використовується енергія газів і вище термічний ККД. Якщо співвідношення між обсягами порожнин зворотне, то збільшується питома потужність двигуна. (Треба враховувати, що ступінь стиснення залежить від відношення об'ємів камери згоряння і тільки допоміжної порожнини.) Можливість варіювати співвідношенням порожнин (що дуже проблематично для поршневого виконання) дозволяє організувати кількісне регулювання не традиційним способом, а без дроселювання, що покращує процес сумішоутворення при зменшенні насосних втрат.
Через довгасті камери згоряння можна застосовувати дві (і більше) свічки запалювання, що забезпечує кращий підпал робочої суміші та вкорочує шлях фронту полум'я. А це веде до чистішого вихлопу.