Двухблочный роторно-поршневой двигатель. Конструкция и принцип работы

Приводится описание и принцип действия двухблочного четырехкамерного роторно-поршневого двигателя, конструкция которого предложена д.ф.-мат. наук О.Г.Тайцем, М.А.Старокожевым (Патент №2405950 от 04.02.2009)

Here it is given a description and an operating principle for the twin blocks four-chamber rotary piston engine and the findings of investigating the processes taking place in the engine with the help of a developed mathematical thermodynamical model of the engine.

Ключевые слова: двухкамерный роторно-поршневой двигатель, рабочий процесс, математическое моделирование.

Key words: twin rotary piston engine, work process, mathematical modeling.

Конструкция описываемого в статье двухблочного четырехкамерного роторно-поршневого двигателя (РПД) была предложена д.физ.-мат. наук, проф. О.Г.Тайцем [1]. Конструктивно двигатель состоит из следующих основных элементов (рис.1):

двух блоков (блока всасывания-сжатия и блока сгорания-выпуска), двух подпружиненных двухсекционных раздвижных роторов и вала. На валу с использованием шпоночного соединения установлены направляющие элементы, по полкам которых могут скользить обе секции ротора. Центр вала смещен относительно центров блоков на величину эксцентриситета. При вращении роторов в блоках образуются четыре камеры: камера всасывания, камера сжатия - в блоке всасывания; камера сгорания (рабочего хода), камера выпуска - в блоке сгорания.

Дозированная подача топлива (бензин) в двигатель осуществляется посредством впрыскивания его через форсунку в камеру всасывания или же во впускной трубопровод, подводящий воздух к камере всасывания.

Количество поступающего в двигатель воздуха регулируется дроссельной заслонкой, установленной во впускном трубопроводе. Управление фазами газораспределения осуществляется непосредственно роторами при их вращении, которые открывают и закрывают впускное и выпускное отверстия, расположенные по окружности статоров. Между блоками установлена перегородка с отверстием, служащим для перепуска сжатой рабочей смеси из камеры сжатия (блок всасывания) в камеру сгорания. (блок сгорания).

Принцип действия двигателя (рис.2) состоит в следующем. Свежая рабочая смесь, поступившая в блок всасывания-сжатия, сжимается ротором, совершающим плоскопараллельное движение. При повороте роторов в положение φ=-30 град /330/ град ПВ (30 град ПВ, не доходя до их горизонтального положения) начинается перепуск рабочей смеси (горизонтальному положению роторов соответствует минимальный объем камер или угол поворота вала: φ=0 или 360 град ПВ). Сжатая рабочая смесь через отверстие в межблочной перегородке перепускается из камеры сжатия (блока всасывания) в камеру сгорания (блока сгорания). После окончания перепуска (при φ = 0 /360/

град ПВ) происходит подача искры в камеру сгорания, воспламенение рабочей смеси и дальнейшее расширение рабочего тела (совершается рабочий ход). Расширение рабочего тела (РТ) происходит до определенного положения ротора (φ = 180 /540/ град ПВ), при котором объем камеры сгорания становится максимальным. Далее в статоре открывается выпускное отверстие, и происходит процесс выпуска отработавших газов за счет свободного выпуска и последующего выпуска за счет вытеснения газов ротором. В течение одного оборота вала в блоках двигателя совершаются 2 полных элементарных цикла (циклы включают процессы всасывания, сжатия, перепуска, сгорания (рабочего хода) и выпуска).

Основные геометрические размеры РПД:

- внутренний диаметр камер (статора) D ≈ 20 см;

- ширина камер H ≈ 10 см;

- эксцентриситет положения вала двигателя e = 0,1D = 2 см;

- площади проходных сечений отверстий впуска F_вп = 8 см², выпуска F_вып = 8 см² и перепуска F _пер = 3 см²;

- максимальный (минимальный) объем камеры всасывания V_{вс max} = 706 см³

(V _{вс min}= 5,0 см³);

- максимальный (минимальный) объем камеры сгорания V_{сг max} = 773 см³

(V _{сг min}= 72,5 см³).

График изменения объёмов камер блоков всасывания и сгорания в зависимости от угла ПВ приведен на рис.3.

Минимальные объемы камер всасывания (V_{вс min}) и сгорания (V_{сг min}) обеспечиваются конструктивно за счет механической дообработки роторов. Конфигурация данных камер сформирована так, чтобы обеспечить оптимальный процесс перепуска рабочей смеси из камеры сжатия в камеру

На рис.4. иллюстрируется, как изменяются проходные сечения отверстий впуска, перепуска и выпуска по углу поворота вала двигателя.

Рисунок 4 - Изменение площадей отверстий впуска, перепуска и выпуска в зависимости от угла ПВ

В роторах выполнены дополнительные полости, которые при работе двигателя в определенный момент сообщаются друг с другом. При сообщении этих полостей (с помощью отверстия, выполненного в межблочной перегородке) происходит перетекание рабочей смеси из камеры сжатия (блок всасывания) в камеру сгорания (блок сгорания). Конструктивно выполнено так, что минимальный объем камеры сжатия значительно меньше минимального объема камеры сгорания (см. рис.3), то есть V _{вс min}.<< V _{сг min}. К моменту начала перепуска (при φ =-30/330/ град ПВ) давление в камере сжатия приблизительно равно 30 бар, в то время как давление в камере сгорания равно давлению окружающей среды (незначительно превышает уровень в 1 бар). В связи с этим, при открытии перепускного отверстия начинается интенсивный процесс перетекания смеси из камеры сжатия в камеру сгорания. Далее, в результате перепуска давление в камерах выравнивается, однако течение смеси из камеры сжатия в камеру сгорания продолжается за счет эффекта вытеснения. На данной стадии процесс перепуска сопровождается дополнительным сжатием смеси (продолжает уменьшаться суммарный объем камер). Процесс перепуска завершается, когда объемы камер минимальны (при φ=0 /360/ град ПВ). Длительность фазы перепуска составляет 30 град ПВ. Подача искры в камеру сгорания (при φ=0 /360/ град ПВ) приводит к воспламенению смеси, повышению давления в камере и совершению полезной индикаторной работы. Заключительным тактом работы двигателя является такт выпуска отработавших газов.

Следует отметить, что после завершения процесса перепуска в камере сжатия остается под давлением некоторое количество смеси, которое, если сразу же открыть впускное отверстие, поступит во впускной трубопровод. Произойдет эффект «обратного заброса». Чтобы этого не происходило, открытие впускного отверстия осуществляется с запаздыванием (при φ=60 /420/ град ПВ). За счет расширения рабочей смеси в камере сжатия (перед началом всасывания) удается получить дополнительную положительную индикаторную работу на данной фазе цикла.

Литература:

1.Пат. Роторный двигатель внутреннего сгорания. №2405950. 04.02.09 (Тайц О.Г., Старокожев М.А.).