РОТОРНЫЙ СФЕРОИДАЛЬНЫЙ ДВС С ПРОТОЧНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ

РОТОРНЫЙ СФЕРОИДАЛЬНЫЙ ДВС С ПРОТОЧНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ. Проблема уменьшения динамических нагрузок в механизме ДВС сводится к уменьшению энергии, закольцованной в возвратно-поступательном, качательно-вращательном и других видах движений, обеспечивающих круговой рабочий цикл. Уменьшение инерционных нагрузок позволит при неизменных прочности и массе механизма увеличить передаваемую им полезную нагрузку.

Можно ввести коэффициент полезной нагрузки КПН механизма, выразив его как отношение максимального крутящего момента, передаваемого механизмом, к максимальному моменту сил инерции, возникающих при этом КПНММин. Это же соотношение можно применить к каждому звену механизма для оценки эффективного его использования. Задача повышения КПН как механизма в целом, так и отдельных звеньев хорошо решается в роторно-поршневых двигателях некоторых схем Ванкеля, например и в газотурбинных двигателях, а также в предлагаемом двигателе.

Желательно также уменьшить неравномерность полезной нагрузки в течение цикла, что можно выразить коэффициентом неравномерности цикла как отношение среднего индикаторного давления к максимальному давлению КНЦРzPi. В этом смысле предпочтительнее процессы, приближнные к изобарному, однако для обеспечения высокого КПД при этом следует также увеличить степень расширения по отношению к степени сжатия, как это делается в газотурбинных двигателях и некоторых поршневых например, двигатель Mazda Xedos 9. Как показано ниже, это реализовано в предлагаемом двигателе. И, наконец, в механизме ДВС следует уменьшать количество избыточных кинематических связей, наличие которых повышает требования к точности изготовления и сборки, жесткости конструкции, а также к сохранению гарантированных эксплуатационных зазоров.

Двигатели с традиционным кривошипно-шатунным механизмом, а также роторно-поршневые типа Ванкель обладают большим количеством избыточных связей.

Отсутствуют они в газотурбинных двигателях при двухопорных валах и в предлагаемом двигателе. Высокие требования в современных высокооборотных ДВС предъявляются к жсткости работы газораспределительного механизма ГРМ в смысле обеспечения соответствия действительных фаз расчтным, предотвращения отрыва кулачков и зависания клапанов. Большие усилия направляются на увеличение проходных сечений и обеспечение изменяемых фаз с целью увеличить коэффициент наполнения и КПД на разных режимах.

Эти проблемы отсутствуют в роторных и газотурбинных двигателях и в значительной мере решены в предлагаемом двигателе. Таким образом, с точки зрения эффективности механизма преобразования энергии газов в движение и ГРМ, перспективными являются роторные и газотурбинные двигатели. Однако не следует забывать о присущем всем роторным двигателям недостатке сложности и низкой эффективности уплотнений. Существенный недостаток газотурбинных двигателей резкое уменьшение КПД турбокомпрессора с увеличением степени повышения давления и пропорциональное ему уменьшение КПД двигателя в целом.

Путь преодоления этих недостатков в создании комбинированной рото-турбо-компрессорной силовой установки КРТКУ. В такой установке роторно-поршневой двигатель снабжается обособленной камерой сгорания проточного типа и выполняет роль компрессора и турбины высокого давления для газотурбинного двигателя иначе говоря, роль генератора газа. Отбор мощности может производиться как отдельно от любого из двигателей, так и совместно.

Как показывают произведнные расчты, совместная работа двигателей позволяет взаимно компенсировать их недостатки, обеспечив высокий КПД, экономичность и удельную мощность установки в целом. Для повышения КПД теплового процесса есть также несколько путей. В некоторых двигателях делают степень расширения больше степени сжатия. Например, в двигателе Mazda Xedos 9 это достигают изменением фаз газораспределения, укорачивая фазу впуска.

Однако при этом теряется часть рабочего объма и уменьшается поток рабочего тела иначе говоря, уменьшается коэффициент наполнения, приведнный к полному ходу поршня. Причм это происходит на режимах, близких к номинальному и максимальному, когда необходим максимальный поток рабочего тела. Применение наддува в этом случае способно лишь компенсировать потерю мощности. В предлагаемом двигателе разные степени сжатия и расширения обеспечиваются, во-первых, за счт разного объма компрессорных и рабочих камер, а во-вторых, за счт изменения фаз газораспределения, однако это вызывает не сокращение фазы впуска, как в предыдущем примере, а увеличение фазы выпуска, наддув же увеличивает поток рабочего тела и мощность двигателя.

Повышению КПД способствует также уменьшение тепловых потерь путем теплоизоляции основных деталей в так называемых адиабатных двигателях, однако эффект от этого невелик, потому что сжатие и расширение происходит в одном объме, и тепло, сэкономленное при расширении, передатся сжимаемому газу. Кроме того, теплоизоляция головки традиционного двигателя ограничена возможностью перегрева размещнных в ней деталей газораспределения.

В этом плане возможности предлагаемого двигателя гораздо шире, поскольку камера сгорания, компрессорная и рабочая части разделены, и можно произвести эффективную теплоизоляцию путем применения керамических деталей и покрытий, а из органов газораспределения в горячей зоне находятся только каналы камеры сгорания, более устойчивые к перегреву, чем клапаны.

Эффективным направлением в повышении КПД является повышение степени сжатия, однако оно ограничено порогом механической и тепловой напряженности деталей двигателя. Использование КРТКУ в режиме продувки камеры сгорания позволяет реализовать наибольшую общую степень сжатия при ограниченных максимальных давлении и температуре цикла и достичь повышения КПД по сравнению с двигателями Отто и газотурбинными. Важной характеристикой двигателя является его токсичность.

В современных быстроходных двигателях основными способами их улучшения являются совершенствование топливной аппаратуры и обеспечение оптимальных условий горения на разных режимах работы. Однако вследствие того, что горение в основном происходит в рабочем объме двигателя, где давление и температура изменяются в широких пределах, обеспечить оптимальные условия на весь период горения невозможно имеется в виду то, что объм камеры сгорания раздельного или нераздельного типа мал по сравнению с рабочим объмом, а давление и температура горения мало отличаются от параметров в рабочем объме.

Поскольку объм камеры сгорания в предлагаемом двигателе соизмерим с рабочим объмом, то два основных процесса горения изохорный и изобарный при продувке протекают с небольшими коэффициентами повышения давления и температуры, что приближает их к оптимальным. Отводимое на горение время гораздо больше, чем у обычных двигателей, за счт увеличения времени пребывания заряда в камере сгорания и не ограничено пребыванием поршня у ВМТ. Горение в среде остаточных газов обеспечивает их догорание, что в других двигателях достигается применением систем рециркуляции и катализаторов.

Важно также, что возможным становится непосредственное измерение давления и температуры горения соответствующими датчиками для осуществления эффективного контроля. В большинстве двигателей реализуется какой-либо один из способов воздействия на параметры рабочего процесса в двигателях Отто это изменение количества топливно-воздушной смеси при поддержании коэффициента избытка воздуха 1 в дизелях это качественное изменение состава смеси при нерегулируемом количестве за исключением двигателей с регулируемым турбонаддувом. В КРТКУ кроме одновременного применения указанных двух независимых контуров воздействия на рабочий процесс возможно осуществление третьего регулирование фактической степени сжатия или степени повышения давления изменением фаз газораспределения.

Вс вышесказанное позволяет обеспечить оптимальные параметры горения, как на протяжении рабочего цикла, так и для различных режимов работы двигателя в целом, что делает его перспективным по снижению токсичности ОГ. Преимущества комбинированных двигателей, главные из которых повышение КПД и удельной мощности, хорошо известны.

Комбинированные двигатели в широком смысле характеризуются применением турбонаддува на входе и утилизации ОГ рабочей турбиной на выходе, причм в общем случае турбина не только приводит турбокомпрессор, но и отдат полезную мощность.

Применение турбонаддува в настоящее время ограничено низким и средним до 0,2 МПа давлением наддува. Это обусловлено тем, что в существующих промышленных двигателях не регулируется степень сжатия, и при высоком наддуве происходят либо значительные перенапряжения как механические, так и тепловые при высоких значениях степени сжатия, либо ухудшение пусковых качеств и рабочих характеристик на малых нагрузках при малой степени сжатия.

В настоящее время в НАМИ под руководством канд. техн. наук Зленко разработаны образцы двигателей с изменяемыми рабочим объмом и степенью сжатия. Однако это осуществляется воздействием на силовую часть механизма, что вряд ли оправдано. В КРТКУ изменение фактической степени сжатия происходит без воздействия на силовую часть, а высокий наддув обеспечивает эффективную утилизацию ОГ рабочей турбиной и получение значительной полезной мощности без увеличения механической и тепловой напряженности с сохранением высоких эксплуатационных качеств.

Таким образом, в схеме КРТКУ автор попытался реализовать многие перспективные направления развития ДВС. Этим объясняются ее высокие расчтные параметры при Vраб1,2 л, Рк0,6 МПа, Рz6 МПа, Тz1700 К, n6000 обмин давление и температура газа перед турбиной Р1,0 МПа, Т1000 К полезная мощность двигателя Nд68 кВт, турбины Nт110 кВт полная мощность КРТКУ N178 кВт, КПД40. Если схему КРТКУ дополнить паровой утилизирующей установкой, общий КПД увеличится.

Это направление указано и разработано канд. техн. наук Некрасовым в статье Плюс цикл Ренкина для двигателя по схеме Баландина. Применение КРТКУ в этом случае позволит уменьшить габариты и удельный вес всей установки, а также более гибко изменять параметры е составляющих. Есть ряд специфических применений, где свойства КРТКУ оказываются особенно ценными. Так, при создании дизеля, работающего на топливно-угольных ТУС и водо-угольных суспензиях ВУС в МВТУ им. Баумана автор работы Л.В. Грехов указывает на ряд возникших затруднений, как снижение удельной мощности двигателя, плохое воспламенение заряда, большая задержка воспламенения и длительность горения, а также формулирует ряд требований к конструкции двигателя, направленных на их преодоление необходимость высокого наддува более 0,22 МПа, наличие камеры сгорания с высокой интенсивностью движения заряда разделенного типа, уменьшение тепловых потерь применением теплоизолирующих покрытий.

Конструкция КРТКУ в большой степени преодолевает указанные проблемы и отвечает сформулированным требованиям.

Роторно-поршневой двигатель рис. 1,2 содержит составной корпус 1 со сферической внутренней поверхностью, внутри которого находятся два вала с роторами в виде сферических сегментов 2 и 3. В каждом из роторов выполнены карманы, которые имеют возможность сообщаться с впускным 5 и выпускным 6 окнами, обеспечивая внешние фазы впуска и выпуска из двигателя, а также имеют возможность сообщаться с впускным каналом 7 в камеру сгорания 8 и выпускным каналом 9 из не. Между роторами и корпусом размещаются дисковые золотники 10 и 11 с вырезами напротив соответствующих окон и каналов, которые выполнены таким образом, что при повороте золотника изменяют площадь проходного сечения соответствующего окна или канала.

Валы в корпусе расположены таким образом, что их продольные оси пересекаются в центре корпуса под тупым углом, плоскость симметрии одного ротора перпендикулярна плоскости симметрии другого, а между роторами расположен диск 4, который разделяет внутренний объм двигателя на две компрессорные и две рабочие камеры.

На одной поверхности диска выполнен цилиндрический прилив, который совмещается с вершиной ротора 2. На другой стороне диска выполнен цилиндрический паз, в котором одной своей стороной расположена промежуточная пластина 12, а другая ее сторона совмещается с пазом в вершине ротора 3, причм продольные оси прилива и паза на сторонах диска взаимно перпендикулярны. Такой механизм обеспечивает отсутствие избыточных кинематических связей. 1 корпус 2 компрессорный ротор 3 рабочий ротор 4 диск 5 впускное окно 6 выпускное окно 7 впускной канал в камеру сгорания 8 камера сгорания 9 выпускной канал из камеры сгорания 10 впускной дисковый золотник 11 выпускной дисковый золотник 12 промежуточная пластина.

При повороте роторов диск 4 совершает поворотно-колебательное движение между ними, изменяя объмы компрессорных и рабочих камер. Карман в роторе 2 открывает впускное окно 5, через которое рабочий газ поступает в одну из компрессионных камер рис. 3. Далее ротор 2 перекрывает окно 5 и сжимает газ. В это же время другой карман открывает впускной канал 7, через который сжатый газ из другой компрессионной камеры поступает в камеру сгорания 8, где смешивается и сжимается вместе с оставшимися от предыдущего цикла газами рис. 3. При повороте вала на 180о камеры меняются местами.

После того, как ротор 2 закроет канал 7, горение происходит в закрытой камере сгорания.

Когда карман рабочего ротора 3 откроет выпускной канал 9, газ начнт выходить из камеры сгорания в один из рабочих объмов, где расширяется рис. 4. Когда канал 9 перекроется ротором 3, камера сгорания 8 закроется, а газ адиабатически расширяется в рабочем объме. В это же время другой карман рабочего ротора открывает выпускное окно 6, и отработанные газы выталкиваются при уменьшении объма другой рабочей камеры рис. 4. При повороте вала на 180о камеры меняются местами. Фазы работы двигателя показаны на векторной и развернутой фазовых диаграммах рис. 5. Таким образом, двигатель работает по четырхтактному циклу впуск-сжатие-расширение-выпуск с добавлением фаз впуска в камеру сгорания, горения и выпуска из камеры сгорания.

За один поворот вала рабочий цикл повторяется дважды по разу для каждой пары камер. Поворачивая дисковые золотники на определенный угол, изменяем продолжительность соответствующих фаз газораспределения, вплоть до их совмещения в режиме продувки камеры сгорания, когда впуск, горение и выпуск происходят одновременно смещение фаз изображено стрелками на рис. 5. Это, в свою очередь, влияет на рабочие параметры двигателя, такие как давление, температура, мощность, эффективность и экономичность.

Таким образом, определнные фазы газораспределения обеспечивают оптимальные параметры на разных режимах работы двигателя.