Спосіб роботи роторного двигуна внутрішнього згоряння

Реферат: Спосіб роботи роторного ДВЗ включає здійснення руху ротора по поверхні циліндра двигуна, а також здійснення циклу сумішоутворення, та відсікання змінних об'ємів камер у циліндрі за допомогою клапанів. У роторний ДВЗ вводять перетворювач енергії в формі вентиляторівкомпресорів, за допомогою яких охолоджують ротори. При цьому вали роторів кінематично з'єднують з валом двигуна, а роторам надають форму еліпсоїдних циліндрів та розташовують їх у чотирипелюсткову симетричну розетку. UA 84819 U (12) UA 84819 U UA 84819 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до галузі двигунобудування і може бути використана у виробництві роторних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) при спільному використанні інших видів перетворювачів енергії, наприклад вихрових теплових насосів. Відомий роторний ДВЗ, спосіб роботи якого полягає у впуску паливної суміші у відповідні канали та ротор такого ДВЗ виготовляють профільованим з яйцевидним перетином та утворюють контакт профільованої поверхні із кромками заслінок, які монтують рухливо з кількістю останніх більш ніж дві [Див. пат. РФ № 2370655, МПК F02В 75/00, 53/00, 2009 р.] Недоліком роботи такого типу ДВЗ є складність узгодження потоків палива та відпрацьованих газів через побудову конструкції. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб роботи двигуна Ванкеля. У такому ДВЗ ротор виконаний у формі тригранного циліндра, що обертається у циліндричній камері із зсувом осей симетрії. Такий ротор виконує роль поршня і одночасно колінчастого валу, а в системі запалення утворюються три камери згоряння, при цьому паливо послідовно впорскують у кожну камеру. Повітряно-паливна суміш, що утворилася, займається, тиск при цьому збільшується, і на ротор тільки в одному з напрямків діє момент сили із постійним плечем порівняно малого розміру. Коли паливо подають у різні камери згоряння, то таку подачу необхідно здійснювати в узгодженому режимі, а для цього слід утворювати спеціальну систему подачі палива у двигун. Охолодження двигуна здійснюють і ззовні, і зсередини самого ротора, а через те перетворення енергії повітряно-паливної суміші здійснюється тільки в одному напрямку, то ефективний ККД не може бути більше 33 %. Таким чином при наявності позитивних властивостей двигуна Ванкеля він має суттєві недоліки, що полягають у складності управління роботою двигуна при порівняно великих масогабаритних характеристиках, необхідності використання жаростійких сплавів при виготовленні двигуна, у обмеженому ККД через неповне згоряння палива та використанні при перетворенні тепла у механічну роботу тільки одного ступеню свободи з трьох. Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, що заявляється, є позбавлення зазначених недоліків шляхом введення у двигун перетворювача енергії та зміни форм виконання вузлів двигуна. Поставлена задача вирішується таким чином. У відомому способі роботи роторного ДВЗ, що включає здійснення руху ротора по поверхні циліндра двигуна, а також здійснення циклу сумішоутворення та відсікання змінних об'ємів камер у циліндрі за допомогою клапанів згідно з корисною моделлю, що заявляється, у роторний ДВЗ вводять перетворювач енергії в формі вентиляторів-компресорів, за допомогою яких охолоджують ротори, при цьому вали роторів кінематично з'єднують з валом двигуна, а роторам надають форму еліпсоїдних циліндрів та розташовують їх у чотирипелюсткову симетричну розетку. Спосіб роботи роторного ДВЗ реалізують таким чином. Враховуючи можливість виконання функції теплового насосу працюючим вентилятором, двигун виконують як чотирироторний з розподільною камерою згоряння, при цьому вентилятор у такій кінематичній схемі одночасно є компресором. Загальну схему реалізації способу роботи ДВЗ можна представити схематичним малюнком (Фіг. 1). Повітря з оточуючого середовища 1 нагнітають по каналу 2 ДВЗ чотирма багатодисковими вентиляторами-компресорами 3 у ресивер 4. Швидкість обертання вентилятора обирають такою, щоб забезпечити з тильної сторони лопаток вентилятора-компресора зривну течію потоків газу по усій довжині лопатки. Тиск у зоні розрядження на основі закону Бернуллі розраховують за формулою: V 2m a ), 2K Б Т де Ρ - тиск в оточуючому середовищі, V - швидкість повітря з тильної сторони лопатки на відстані 1 від осі обертанні вентилятора компресора, m а - середня маса частинок повітря, КБ постійна Больцмана, Τ - температура повітря. По мірі проходження по кожному з дисків вентилятора-компресора повітря охолоджується з тильної сторони лопаток, а при входженні повітря всередину лопатки завдяки стисканню нагрівається, та через удари, по поверхні лопаток охолоджується. При ламінарному обтіканні повітря по лопатках вентилятора-компресора удар молекул повітря на тильній їх стороні не здійснюється, а тому повітря не охолоджується. При організації зривної течії на тильній стороні лопаток утворюється розрідження, яке заповнюється повітрям при здійсненні течії у турбулентному режимі. Молекули повітря оточуючого середовища у потоці, що рухається, ударяються об поверхню тильної сторони лопаток, віддають частину своєї енергії, формуючи при цьому зворотну течію, яка рухається із швидкістю температурного хаотичного руху молекул повітря. У підсумку повітря охолоджується. Виникнення саме такого явища доказане шляхом P  P0 exp(  50 55 1 UA 84819 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 проведення серії експериментів у закритому приміщенні. Експериментально вирахувана залежність вірогідності включення активної складової оточуючого повітря від швидкості обертання диску (див. Фіг. 2) При частотах обертання менше 4000 об/хв. не утворюється зриву течії на опуклій поверхні лопаток вентилятора-компресора. У швидкісній зоні обертання вентилятора-компресора 5000-8000 об/хв. утворюється зривна течія. По мірі подальшого зростання швидкості обертання вірогідність виникнення дії активної складової оточуючого середовища поступово зростає. На Фіг. 2 надано декілька залежностей. Так, крива 1 - експериментальні результати, крива 2 - теоретичний розрахунок без врахування зворотного потоку в зоні зривної течії, 3 - теоретичний розрахунок без урахування активної складової в зоні зривної течії, 4 - вірогідність участі активної складової оточуючого середовища в зоні зривної течії при спільній дії із зворотнім потоком, 5 - результуюча сила віддачі при спільній дії активної складової і зворотного потоку. З наведених графіків кривих графічних залежностей видно, що при швидкостях руху 4000 об/хв. не утворюється зривної течії на опуклій поверхні лопаток вентилятора-компресора. Відбувається звичайна ламінарна течія по обох поверхнях лопаток. Зривна течія повністю формується при швидкості обертання вентилятора-компресора 4500 об/хв, а тому у цій зоні слід враховувати заповнення її зворотним повітряним потоком. При частотах обертання вище 12000 об/хв. зворотний потік настільки потужній, що повністю відсікає ламінарну течію повітря вздовж опуклої поверхні лопаток. У способі роботи ДВЗ, що заявляється, вентилятор-компресор є відкритою системою по відношенню до атмосфери оточуючого повітря, тому для відкритих систем слід застосовувати не закони збереження, а закони перетворення. Відношення потужності, що витрачається оточуючим середовищем у стаціонарних умовах, до потужності подолання лобового опору лопатками вентилятора-компресора є коефіцієнтом перетворення. Починаючи з 4500 об/хв. коефіцієнт перетворення зростає. На частотах вище 14000 об/хв. ламінарний потік по опуклій поверхні лопаток повністю відсікається зворотним потоком повітря, при цьому сила віддачі зменшується майже на два порядки. Завдяки тому, що вентилятор-компресор у способі роботи ДВЗ, що заявляється, одночасно є тепловим насосом, лопатки турбіни ДВЗ отримують додаткове збільшення моменту сили, яке формується вентилятором-компресором внаслідок перетворення теплової енергії повітряного потоку в механічну роботу. В процесі роботи вентилятора-компресора з утворенням зривної течії він охолоджується, а лопатки турбіни навпаки нагріваються під дією тиску нагрітого повітря. Через цю обставину турбіну ДВЗ і вентилятор-компресор компанують так, щоб вентилятор-компресор був би охолоджувачем для турбіни. Для цього лопатки турбіни виконують у формі еліпсоїдних циліндрів, в тіло яких встановлюють вентилятори-компресори та розташовують їх чотирипелюстковою розеткою. Повітря у ресивері 4 вентилятором-компресором 3 адіабатично стискається в об'ємі. Температура при цьому підвищується та розраховується за формулою: T  T0 ( V / V0 )' Y 1 , де Т0 і V0 - початкова температура й об'єм газу до стискання, - відношення теплоємкості при постійних тиску і об'ємі. Для повітря Ύ=1,4. Якщо об'єм стискається у 2 рази, то температура повітря зростає у 1,32 разу. При нормальній температурі Τ=295К, Τ=389К. Зміна температури дорівнює 94К. Щоб вентилятор-компресор працював як тепловий насос, необхідно забезпечити умову: Tкомпр  (T  T0 ) . Така умова забезпечується шляхом узгодження об'єму ресивера, розмірів i форм лопаток вентилятора-компресора, швидкістю його обертання та розмірами вихідного отвору. На прикладі, що проілюстрований, така умова виконується при швидкості обертання 8500 об/хв. та Tкомпр  197K . 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Спосіб роботи роторного ДВЗ, що включає здійснення руху ротора по поверхні циліндра двигуна, а також здійснення циклу сумішоутворення, та відсікання змінних об'ємів камер у циліндрі за допомогою клапанів, який відрізняється тим, що у роторний ДВЗ вводять перетворювач енергії в формі вентиляторів-компресорів, за допомогою яких охолоджують ротори, причому вали роторів кінематично з'єднують з валом двигуна, а роторам надають форму еліпсоїдних циліндрів та розташовують їх у чотирипелюсткову симетричну розетку. 2 UA 84819 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3