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.

    Запатентованный механизм для преобразования движения (Pat. RU 2673318) позволит при обеспечении необходимой плавности преобразования неравномерного вращения роторов также обеспечить и высокий КПД РЛД (Pat. RU 2754184).

     В оптимизации механизма трансформации силы давления газов в крутящий момент кроется большой ресурс увеличения мощности двигателя  при сохранении (или даже уменьшении) величины расхода топлива.

    Мощность двигателя является производной от величины крутящего момента, создаваемого на валу двигателя за единицу времени, с учетом количества рабочих циклов, произошедших за это время в его камерах сгорания. Соответственно, чем больший крутящий момент будет создан на валу двигателя за один рабочий цикл при максимально возможных при этом оборотах двигателя, тем производительность будет выше.

    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 и  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.

      Интересным фактом является в определенной степени корреляция результатов упомянутого выше сравнительного расчета с тем, что в проектируемом РЛД ускорение увеличения объема камеры сгорания (характеризующее термодинамическое ускорение) примерно в те же полтора раза выше, чем в ПД.

 

    Стоит также отметить, что 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 позволяет 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 предлагаемой форме камере сгорания в РЛД в конце такта сжатия происходит интенсивный сброс предварительно подсжатой топливо-воздушной смеси (или воздуха) в первый 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.