Преимущества

Так чем же наша конструкция лучше других?

Если говорить в общем о преимуществах РЛД (как таковых),  то этот рисунок поясняет основное:

По производительности одна секция РЛД соответствует восьмицилиндровому традиционному ДВС ввиду того, что за один оборот выходного вала совершается четыре полных четырехтактных цикла. Кроме того, принципиальная схема РЛД позволяет более эффективно преобразовывать энергию расширяющихся газов в крутящий момент на выходном валу.

 Исторически сложилось, что кинематика преобразования движения поршня во вращательное движение посредством коленвала обрела признаки классической схемы, и при оценке механического КПД двигателя эффективность такого преобразования просто «вынесли за скобки».

  Но привычно высокий показатель механического КПД традиционных поршневых двигателей (ПД) можно и нужно оспаривать!

Существует мнение, что КПД кривошипно-шатунного механизма (КШМ), при осуществлении им своих прямых функций в составе ДВС составляет ВСЕГО около 33% .

В своей работе  «Кривошипно-шатунный механизм без коленвала»  Мущинский Анатолий Климентьевич  проводит исследование эффективности преобразования энергии в двигателе и представляет результаты расчетов, сведенных в  диаграмму "D", которая составлялась на основе экспериментально-практических измерений воздействия постоянной силы “ P ” на поршень. 

Красная пунктирная линия иллюстрирует низкий коэффициент передаточной функции КШМ на малых углах его поворота, когда давление в цилиндре максимально.

Бугаец  Евгений Степанович в своей статье  "Его величество КПД" также указывает на несовершенство КШМ при выработке крутящего момента приего работе в составе ДВС:

 

Очевидно, что крутящий момент посредством КШМ вырабатывается неэффективно

Наилучшие условия для выработки крутящего момента Т возникают в тот момент, когда давление газов Р в цилиндре уже значительно снизилось.
Этот же недостаток характерен и для роторно-поршневых двигателей Ванкеля, где роль кривошипа выполняет эксцентрик.

Очевидно, что использование КШМ было бы эффективно при постоянном давлении в цилиндре, например, в составе двигателя внешнего сгорания (с внешним подводом теплоты). А в условиях, когда сгорание топлива происходит непосредственно в цилиндре, очень быстро и в самом начале такта расширения, более эффективным было бы использование другого преобразователя.

 

Указанные недостатки кривошипа также можно проиллюстрировать, показав разницу вырабатываемого крутящего момента с использованием КШМ и преобразователя РЛД.

 

Сравним эффективность преобразования переменного давления рабочих газов  при соблюдении равенства площади лопасти РЛД и площади поршня традиционного двигателя, а также уравняв плечи, с которых снимается момент (т.е. срединный радиус тороида принимаем равным радиусу кривошипа коленвала). 

Итог сравнения представлен на следующем изображении (абсолютные значения  сил  и  моментов   здесь и далее приняты в качестве ориентирных и служат лишь для сравнения относительных величин).

Рассматриваемое сравнение является параметрическим и не претендует на абсолютизацию его результатов.

На этих графиках фиолетовая линия отражает условную зависимость изменения давления в камере сгорания от угла поворота вала.

Для роторно-лопастной схемы максимум давления равен 1 у.е., а для двигателя с КШМ график давления  модифицирован в соответствии с разностью скорости изменения объема камеры сгорания по углу поворота выходного вала.

Пунктирные линии отражают скорости поршня или лопастей. При этом принимается, что равномерная скорость вращения выходного вала равна 1 у.е.

Зеленые линии на графиках показывают изменение коэффициента эффективности преобразования энергии газов в крутящий момент по углу поворота выходного вала. 

У нижнего графика, относящегося к РЛД со схемой синхронизации с останавливаемыми роторами, значение коэффициента преобразования соответствует разнице скоростей роторов, т.к. эти скорости характеризуют соответствующие передаточные отношения с разными знаками.

Условный крутящий момент на валу двигателя (голубая линия) получается в результате перемножения условных значений давления газов на условное плечо, меняющееся в соответствии с изменением коэффициента эффективности преобразования энергии.

Иллюстрация позволяет оценить зависимость величины крутящего момента от скорости увеличения коэффициента эффективности преобразования энергии и продолжительности его сохранения на максимальных значениях.

 

Достигаемый эффект можно отразить следующей иллюстрацией.

Эффект, достигаемый в РЛД, можно сравнить с увеличением эксцентриситета в поршневом двигателе в течение одного такта с увеличением плеча кривошипа в пределах 1R - 2R - 1R.

При этом мы не стоит забывать про соотношение количества "железа", посредством которого совершается сравнимая работа за одинаковое количество рабочих циклов в РЛД и в поршневом двигателе с КШМ.

Для проверки обоснованности предпосылок, предопределяющих

преимущества перспективного двигателя,  проведем

сравнительный анализ индикаторных характеристик 

РЛД и поршневого двигателя с КШМ.

Для данного сравнения принимаем условие, при котором конструктивные особенности поршневого двигателя (ПД) с КШМ, необходимые к учету для расчета индикаторных характеристик, полностью соответствуют параметрам РЛД, принятым в эскизном проекте.

Расчет индикаторной мощности поршневого двигателя

 

Для расчета воспользуемся следующей формулой:

Чтобы воспользоваться данной формулой требуется определить среднее индикаторное давление, которое мы сможем получить, определив индикаторную работу двигателя, для чего построим индикаторную диаграмму.

В связи с тем, что для нашего сравнительного анализа не важны абсолютные величины индикаторных характеристик, а важно их принципиальное  соотношение для выбранных типов двигателей, сделаем допущение, что условия сгорания топлива в цилиндре ПД и в тороидальной камере РЛД примерно одинаковы и различаются, в основном, в соответствии с разностью динамики изменения объема камеры сгорания по углу поворота вала двигателя, что отражается на величине максимального давления.

 

Далее будет представлен график, отображающий разницу этих динамик, а для начала смоделируем график изменения давления в камере сгорания ПД в зависимости от угла поворота вала, который также в дальнейшем станет основой моделирования изменения величины давления в камерах РЛД.

Примем следующую условную модель изменения давления в цилиндре ПД с высокой степенью сжатия.

Для упрощения расчетов, падение давления при открытых клапанах не моделируем.

На основе этого графика строим  индикаторную диаграмму

Из массива данных индикаторной диаграммы определяем среднее индикаторное давление (рi = 9,31 кгс/см2 или 0,913 МПа).

 

Воспользовавшись представленной выше формулой, получаем индикаторную мощность условного ПД  Ni = 511 кВт.

Если принять для ПД механический КПД равным 0,8 ед., получаем  эффективную мощность  Nе = 409 кВт.

Исходя из полученных результатов, мы можем оценить такие ориентировочные параметры условного ПД, как его КПД и удельный расход топлива.  

Для этого воспользуемся следующими зависимостями.

Удельная теплота сгорания бензина Hu в расчетах составляет 44000 кДж/кг.

Из нашей условной модели изменения давления в цилиндре ПД определяем, что при рабочем объеме одного цилиндра равном 1,68 л из-за разряжения на впуске сжатию подвергается 1,27 л (1,56 гр.) воздуха и для обеспечения стехиометрического состава смеси потребуется подать 0,106 гр. бензина.

Таким образом, можно определить, что индикаторный КПД заданного условного ПД  окажется равным 0,39.

При механическом КПД равным 0,8 ед. получаем  эффективный КПД равным 0,32.

Удельный расход топлива -  259 г/кВт*ч.

 

Расчет индикаторной мощности РЛД

 

Для расчета воспользуемся той же формулой:

 

Определим коэффициент тактности двигателя, построив зависимость.

Принимаем коэффициент равным 0,5.

Далее смоделируем график изменения давления в камере сгорания РЛД (с аналогичным литражом) в зависимости от угла поворота вала.

Модель строим в соответствии с представленной ниже разностью динамики изменения давления в объеме камеры сгорания РЛД в соотношении с таковой динамикой в ПД.

На основе этого графика строим диаграмму для РЛД с учетом того, что давление в камере тороида воздействует одновременно на две лопасти и в смежных камерах происходят смежные такты двигателя.

Строим индикаторную диаграмму, учитывая, что такт сжатия и рабочий такт происходят одновременно в соседних камерах за 90 градусов поворота вала двигателя.

Полезная нагрузка снимается с лопасти Л1.

Со стороны аверса лопасти Л2 воспринимается сила давления, действующая в оппозитном направлении.

Со стороны реверса лопасти Л2 воспринимается сила давления топливовоздушной смеси, сжимаемой лопастью Л3.

 

В связи с тем, что воздействующая на лопасти сила давления газов создает крутящий момент на валу двигателя посредством симметричного планетарного дифференциального редуктора с переменным передаточным отношением, для построения индикаторной диаграммы потребуется определить величины эквивалентного давления на лопасти.

Передача крутящего момента с роторов на вал происходит с передаточными отношениями, коэффициент К которых изменяется в пределах 0 - 1 - 2 ед. пропорционально изменению скорости роторов в пределах 0 - 100% - 200% от скорости вращения выходного вала.

Сложив величины давлений в тактах расширения и сжатия, получаем суммарную диаграмму.

 

В итоге получаем эквивалентную индикаторную диаграмму и определяем среднее индикаторное давление (рi = 12,07 кгс/см2 или 1,184 МПа).

Воспользовавшись представленной выше формулой, получаем индикаторную мощность исследуемого РЛД  Ni = 662 кВт.

По аналогии с расчетами условного ПД и используя те же исходные данные, определим КПД и удельный расход топлива РЛД.  

Индикаторный КПД исследуемого РЛД  получился равным 0,51.

Так как в РЛД  потери на трение будут значительно ниже, чем в ПД, а КПД симметричного дифференциального редуктора составит около 98%, принимаем общий механический КПД равным 0,9 ед. и получаем  эффективную мощность  Nе = 596 кВт.

При общем механическом КПД равным 0,9 ед. получаем  эффективный КПД РЛД равным 0,46.

Удельный расход топлива -  177,6 г/кВт*ч.

Таким образом, можно сделать предварительный вывод о том, что концепция РЛД намного эффективнее концепции ПД с КШМ.

Стоить отметить, что по аналогии с расчетами мощностных показателей двигателей Ванкеля, у которых велика положительная составляющая инерционных сил ротора и эксцентрика, нам также необходимо дополнительно включать в расчет РЛД инерционную составляющую.

В состав инерционных масс пока включена только их активная составляющая в виде основных элементов роторов с навесными элементами синхронизатора и лопастями. Один такой комплект имеет момент инерции 0,34 кг*м2.

Суммарная сила инерции активных инерционных масс Ри при 5000 об/мин в единицах измерения, приведенных к размерности индикаторной диаграммы, составляет 47,16 ед. (фиолетовая линия на индикаторной диаграмме).

Беря в расчет индикаторные и инерционные силы, получаем суммарный крутящий момент РЛД при 5000 об/мин равным 3650 Н*м.

Расчет индикаторной мощности РЛД

при его работе по циклу Аткинсона

Проект создания РЛД предполагает поэтапное проведение изысканий, при котором в первую очередь ставится задача по подтверждению эффективности механизма преобразования энергии и утверждению общей архитектуры двигателя. Вторым этапом будет наращивание показателей эффективности двигателя в целом.

Для решения первой задачи и снижения сложности создания первого опытного образца, принято решение о расчете двигателя с пониженной степенью сжатия и основным режимом его работы по циклу Аткинсона.

При этом не исключается возможность использования режима работы РЛД по циклу Отто для временного форсирования двигателя.

Устройство на впуске, выполняющее функцию  механизма изменения фаз газораспределения, позволяет обеспечивать оперативную корректировку степени сжатия с поддержанием в любой момент времени оптимального наполнения «цилиндра» с учетом увеличения сопротивления на впуске с ростом оборотов двигателя либо при увеличении разряжения на впуске при наборе высоты агрегатоносителем.

Расчет КПД исследуемого РЛД в режиме работы по циклу Аткинсона с пониженной степенью сжатия топливо-воздушной смеси производим по той же методике, что и в предыдущих расчетах.

Получаем среднее индикаторное давление рi = 6,75 кгс/см2 (или 0,662 МПа).

Вычисляем индикаторную мощность РЛД, работающего по циклу Аткинсона,  Ni = 370 кВт.

Эффективная мощность  Nе = 333 кВт.

Индикаторный КПД - 0,46.

Эффективный КПД - 0,41.

Удельный расход топлива -  198,5 г/кВт*ч.

 

Таким образом, РЛД, работающий по циклу Аткинсона, при том же литраже, что и у ПД с КШМ, работающего по циклу Отто, выдаст в 1,5 раза меньшую мощность, но, работая с большим КПД,  покажет в 1,3 раза меньший удельный расход топлива. Кроме того, при необходимости можно будет временно выводить РЛД в форсированный режим, рассчитанный выше.

При этом габариты РЛД окажутся примерно в 4 раза меньше, чем у сравниваемого восьмицилиндрового ПД, а крутящий момент РЛД будет намного больше чем у ПД.

Итоговая таблица

Следующая таблица даёт представление о преимуществах концепции роторно-лопастного двигателя, разрабатываемого по нашему проекту, в сравнении с сопаставимыми потенциально конкурирующими двигателями, предназначенными для использования в легкомоторной авиации. Характеристики РЛД даны для варианта с рабочим объемом 2 литра.

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