Преимущества

    Принципиальным преимуществом роторно-лопастной схемы является компактность такого типа двигателя, так как в рабочих камерах одной секции РЛД за один оборот вала обеспечивается протекание 4-х полноценных четырехтактных циклов, что соответствует характеристике восьмицилиндрового традиционного поршневого двигателя.  Соответственно, при сравнении материалоемкости, количества узлов и деталей, механических потерь, стоимости изделия и т.д., следует сравнивать односекционный РЛД с восьмицилиндровым двигателем традиционной конструкции. 

     Но главным преимуществом является то, что при оптимальном алгоритме синхронизации движения лопастей достигается невозможная для кривошипов эффективность преобразования  энергии расширяющихся газов в крутящий момент на валу двигателя. 

   Исторически сложилось, что получение крутящего момента в поршневом двигателе (ПД) с использованием кинематики преобразования линейного движения поршня во вращение вала посредством кривошипа обрело признаки классической схемы. При оценке КПД двигателя эффективность такого преобразования просто «вынесена за скобки» и не рассматривается как ресурс его повышения.

       Но привычно высокий показатель эффективности кинематической схемы на базе кривошипно-шатунного механизма (КШМ) традиционных ПД можно и нужно оспаривать!

    В своей работе  «Кривошипно-шатунный механизм без коленвала»  А.К. Мущинский проводит исследование эффективности преобразования энергии в двигателе и акцентируется на низком коэффициенте передаточной функции КШМ на малых углах поворота вала, когда давление в цилиндре максимально. 

    Бугаец  Евгений Степанович в своей статье "Его величество КПД" ещё более ярко указывает на несовершенство КШМ при выработке крутящего момента в ДВС:

 

 

    Ниже представлен график функции, показывающей закономерность изменения силы Т относительно единицы величины силы давления газов на поршень в зависимости от угла поворота вала (при произвольно взятых соотношениях величин радиуса кривошипа к длине шатуна [0,31; 0,24])

 

    При нахождении поршня в положении ВМТ и НМТ тангенциальная сила равно нулю, а ее максимум для большинства поршневых двигателей приходится на положения кривошипа в пределах 70-80 градусов угла поворота вала. Функцию силы Т можно в полной мере характеризовать как передаточную функцию и констатировать, что наилучшие условия для выработки крутящего момента возникают в тот момент, когда давление газов Р в цилиндре уже значительно снижено.

 

  Этот же недостаток характерен и для роторно-поршневых двигателей Ванкеля, где роль кривошипа выполняет эксцентрик.

    Очевидно, что КШМ и эксцентрик были бы более эффективны при возможности смещения (по шкале угла поворота вала) экстремумов их передаточных функции ближе к зоне пиковых значений давления газов в камере сгорания.

      Особый алгоритм синхронизации движения роторов в РЛД позволяет решить такую задачу.

         Как уже было замечено, в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом величина создаваемого крутящего момента  напрямую связана с величиной и интенсивностью прирастания тангенциальной силы Т на плече кривошипа.

    Предлагаемая конструкция механизма преобразования позволяет в РЛД задать другую закономерность изменения силы, формирующей крутящий момент. На максимальное значение функция этой силы выходит в течение 1/3 части времени течения рабочего такта (в рассматриваемом РЛД один такт протекает за 90 град. УПВ), следующую треть такта эта величина сохраняется на максимальных значениях, и только затем, когда давление газов в камере сгорания  уже невелико, снижается в течение последней трети такта до нуля

    Механизм такого преобразования связан с более динамичным изменением объема камеры сгорания в первой и последней третях рабочего такта в РЛД в сравнении с таковым процессом при сжатии/расширении газов в ПД с КШМ.

     Более интенсивное изменение объема камеры сгорания (при прочих равных условиях генерации расширяющихся газов) приведет к сглаживанию пика максимального давления Pz.  Для сравнения, максимальное давление в ПД оказалось бы при этом примерно на 20% выше, чем в РЛД.

    Однако, несмотря на меньшее значение Pz в РЛД, эффект более динамичного прирастания значения функции силы Т приведет к условиям создания большего крутящего момента с использованием преобразователя РЛД, чем с использованием КШМ в ПД.

 

    Достижимый эффект от использования запатентованного преобразователя РЛД показывают результаты сравнительного расчета, проведённого для ПД и РЛД с одинаковым рабочим объемом с прочими равными условиями и эффектом сгорания топливовоздушной смеси.

 

     Кроме того, в условиях проектируемого РЛД возможно также достижение высокого термического КПД.

В своей работе «Перспективы развития ДВС» В.В. Староверов писал о новом подходе к анализу рабочего процесса тепловых двигателей, основанном на сопоставлении скорости расширения рабочего тела в ДВС со скоростью свободного расширения, которая определяется закономерностью изменения объема термодинамической системы во времени, полученной путем введения новой функции состояния - термодинамического ускорения.

     В нашем случае, при более высоких скоростях увеличения объема камеры сгорания и при большем значении ускорения лопасти в начале такта расширения,  чем это характерно для движения поршня в условиях ПД, возникают условия для достижения более высокой степени термодинамического ускорения. Такой случай можно классифицировать как большую степень приближения к адиабатному расширению. Таким образом, увеличивается интенсивность расширения рабочего тела и при этом доля его энергии, отводимая в форме теплоты, станет существенно снижаться относительно доли энергии, превращаемой в работу.

     Похожие выводы можно сделать, воспользовавшись формулой из работы "Тепло и термодинамика" Земанского и Диттмана.

 

     Обратите внимание на то, что если скорость изменения объема увеличивается, то уменьшаются непроизводительные потери в системе.

      Сравним динамику протекания рабочих процессов в односекционном проектируемом РЛД и восьмицилиндровом ПД.

 

     В РЛД, как и в 8-цилиндровом ПД, за один оборот вала происходят по 4 полноценных 4-тактных цикла. Однако скорость и ускорение изменения рабочих объемов в РЛД значительно выше, чем в ПД. Это приведёт к большей адиабатизации процессов раширения и сжатия в РЛД, чем в ПД. Соответственно, в РЛД будет меньше тепловых потерь, что дает предпосылки к более высокому значению термического КПД, чем в ПД.

   

    Кроме того, в проекте РЛД прорабатывается камера сгорания (КС) со сниженным показателем теплопотерь за счет возможности в достаточной степени изолировать горячую зону КС от зоны, функционально выполняющей роль расширительной камеры. КС в разрабатываемом РЛД имеет разделённые объёмы, в одном из которых (обособленном) будет происходить почти полное сгорание топлива, а в другом - процесс расширения газов с остаточным догоранием топлива. Причем первый объём имеет форму, приближённую к сферической, что создаст лучшие условия для сгорания топлива, а форма второго – соответствует форме КС длинноходного двигателя.

     Кроме прочего, такая схема позволит дополнительно снизить тепловые нагрузки на лопасти, что считалось одной из проблем ранее разрабатываемых роторно-лопастных двигателей.

    При конструировании двигателей всегда уделяется большое внимание уменьшению расхода топлива. Проведённые с этой целью исследования влияния отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D) показали, что короткоходные двигатели обладают повышенным удельным расходом топлива.  Длинноходный двигатель имеет более выгодное отношение охлаждаемой поверхности к объёму камеры сгорания при положении поршня в ВМТ, что более важно, так как в этот период цикла температура газов, определяющая потери теплоты, наиболее высока. Сокращение поверхности теплоотдачи в этой фазе процесса расширения уменьшает тепловые потери и улучшает индикаторный КПД двигателя.

      Для снижения выброса токсичных веществ в отработавших газах также целесообразнее применять двигатели с компактной камерой сгорания и с более длинным ходом поршня. 

    Кроме того, в ПД, если камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня, то возникает слишком большая поверхность охлаждения. Поэтому есть смысл создавать компактную камеру сгорания в зоне свечи зажигания, а над днищем поршня – образовывать зазор между ним и поверхностью головки цилиндра (уже упоминавшуюся ранее зону вытеснителя). Этот зазор выполняет две функции – обеспечивает компактность и малую поверхность камеры сгорания, а к концу хода сжатия способствует созданию интенсивного движения (турбулизации) заряда в ней, что ускоряет сгорание.

    При наличии вихревой камеры сгорания в РЛД в конце такта сжатия происходит интенсивный сброс предварительно подсжатой топливо-воздушной смеси (или воздуха) из тороида в обособленный объем КС с турбулизацией и окончательным дожатием и поджигом (или впрыском топлива и воспламенением). Конструктивно легко осуществить впрыск топлива в направлении вращения потока рабочей смеси, а свечу(и) зажигания (либо свечу накаливания в дизельном двигателе) расположить непосредственно в турбулентном потоке. 

На данной иллюстрации представлен разрез по КС бензинового РЛД, а ниже - разрез по КС дизельного РЛД

     Следующая таблица даёт представление о прогнозных характеристиках разрабатываемого роторно-лопастного двигателя в сравнении с сопоставимыми потенциально конкурирующими двигателями, предназначенными для использования в легкомоторной авиации.

      Характеристики РЛД даны для варианта с рабочим объемом 2 л (эквивал. - 16 л).

Предварительно прорабатывается возможность разработки трех типоразмеров перспективного РЛД для использования различных моделей в качестве основного либо вспомогательного силового агрегата.