Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.


Проект «Роторный двигатель внутреннего сгорания»

Номинация: Лучшее конструкторское решение
















Оценить:

Рейтинг: 2.23

Автор: Костычев Виталий Васильевич, Костычев Василий Иванович, Костычев Артём Васильевич, Костычев Артур Витальевич
1ое, 2ое и 3е место: III место
Город: Комсомольск-на-Амуре

Руководитель проекта — Костычев Артём Васильевич.

Автор идеи - Костычев Василий Иванович.

Исполнители проекта - Костычев Виталий Васильевич, Костычев Василий Иванович.

Информационное обеспечение проекта - Костычев Артём Васильевич. Костычев Артур Витальевич.

Проект «Р.Д.В.С.» «Роторный двигатель внутреннего сгорания».



Часть 1. Назначение «Р.Д.В.С.»

1). Преобразование энергии сгорания углеводородного топлива в механическую энергию вращения вала роторного двигателя внутреннего сгорания.

2). Бесперебойное обеспечение потребителей механической энергией заданных параметров по мощности и скорости вращения.

Часть 2. Принцип работы «Р.Д.В.С.»

1).Основным недостатком имеющихся в настоящее время роторных двигателей внутреннего сгорания являются:

В условиях высоких температур и давлений в Д.В.С. очень сложно обеспечить подвижность лопаток ротора и, особенно, обеспечить герметичность по линиям их контактов с корпусом.

Для решения этих проблем используем свойство эллипса. А именно.

При вращении пластины вокруг оси вписанной в эллипс окружности, рис.1 расстояния от диаметрально противоположных точек эллипса - одинаково.

Это обстоятельство позволяет, используя набор уплотняющих пластин особой формы, с помощью пружин, обеспечивать герметичность камеры сгорания при рабочем ходе Р.Д.В.С. в пределах возможностей компрессионных колец поршневых Д.В.С.

При этом, перемещение пластин уплотнения при вращении вала, происходит без участия центробежной силы и без устройства специального механизма для перемещения лопаток ротора.

2). Роторный двигатель внутреннего сгорания предлагаемой конструкции ( рис.2 - 3) состоит из двух основных агрегатов смонтированных на одном валу: - роторного двигателя и роторного компрессора.

Такая конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания несколько изменяет традиционный цикл работы Д.В.С.

Вместо привычных четырёх (или двух) тактов «впуск» - «сжатие» - «рабочий ход» - «выхлоп», в предлагаемой конструкции роторного Д.В.С. есть ещё один такт - перемещение сжатого воздуха из компрессора в двигатель. Назовём этот такт «перекачка».

Таким образом, мы имеем роторный двигатель внутреннего сгорания, в котором пять рабочих тактов - «впуск» - «сжатие» - «перекачка» - «рабочий ход» - «выхлоп».

Кроме того, такая конструкция Р.Д.В.С. обеспечивает все пять рабочих тактов за половину оборота роторного двигателя.

Часть 3. Устройство «Р.Д.В.С.» (рис. 2-3)

1) Блок - корпус двигателя.

2) Опорная стойка двигателя.

3) Направляющие пластины - лопасти двигателя.

4) Пластины уплотнения с поверхностью блок - корпуса двигателя. (Аналог компрессионных поршневых колец).

5) Пластины уплотнения с торцевыми поверхностями двигателя. (Аналог компрессионных поршневых колец).

6) Манжета.

7) Опорный подшипник качения.

8) Упорная крышка подшипника.

9) Маховик роторного двигателя.

10) Вал - барабан роторного двигателя.

11) Шпонка вал - барабана двигателя.

12) Крышка маховика двигателя.

13) Пружины пластин уплотнения с торцевыми поверхностями двигателя.

14) Выпускной канал двигателя.

15) Электрический стартер двигателя.

16) Головка блок - корпуса двигателя.

17) Крышка пружин пластины уплотнения с поверхностью вал - барабана двигателя.

18) Выхлопная труба двигателя.

19) Форсунка для впрыска топлива в камеру сгорания двигателя.

20) Свеча зажигания (свеча накала для дизельного двигателя).

21) Впускной электромагнитный клапан двигателя.

22) Крышка впускного электромагнитного клапана двигателя.

23) Канал подачи сжатого воздуха в двигатель.

24) Патрубок подачи сжатого воздуха из компрессора в двигатель.

25) Трубопровод подачи моторного масла в двигатель и компрессор.

26) Каналы подачи моторного масла в двигатель и компрессор.

27) Выпускной электромагнитный клапан компрессора.

28) Крышка выпускного электромагнитного клапана компрессора.

29) Канал подачи сжатого воздуха из компрессора в двигатель.

30) Впускной воздушный патрубок компрессора.

31) Крышка пружин пластины уплотнения с поверхностью вал - барабана компрессора.

32) Головка блок - корпуса компрессора.

33) Канал подачи воздуха в компрессор.

34) Пружины пластин уплотнения с торцевыми поверхностями компрессора.

35) Датчики управления электромагнитными клапанами двигателя и компрессора.

36) Вал - барабан компрессора.

37) Датчики управления впрыском топлива и свечами зажигания (накала).

38) Крышка датчиков управления.

39) Упорная крышка подшипника вала компрессора.

40) Опорный подшипник качения вала компрессора.

41) Манжета.

42) Опорная стойка компрессора.

43) Патрубки циркуляции охлаждающей жидкости.

44) Направляющие пластины - лопасти компрессора.

45) Пластины уплотнения с поверхностью блок - корпуса компрессора (аналог поршневых компрессионных колец).

46) Пластины уплотнения с торцевыми поверхностями компрессора (аналог поршневых компрессионных колец).

47) Блок - корпус компрессора.

48) Связующая опорная стойка роторного двигателя и компрессора.

49) Манжета.

50) Опорный подшипник качения вала двигателя и компрессора.

51) Манжета.

52) Связующая шпонка валов двигателя и компрессора.

53) Каналы циркуляции охлаждающей жидкости двигателя

54) Пружины пластин уплотнения с поверхностью блок - корпуса двигателя.

55) Пластина уплотнения с поверхностью рабочего барабана двигателя (аналог поршневых компрессионных колец).

56) Пружины пластины уплотнения с поверхностью рабочего барабана двигателя.

57) Электропровод.

58) Трубопровод подачи топлива.

59) Пружины пластины уплотнения с поверхностью рабочего барабана компрессора.

60) Пластина уплотнения с поверхностью рабочего барабана компрессора (аналог поршневых компрессионных колец).

61) Пружины пластин уплотнения с поверхностью блок - корпуса компрессора.

62) Каналы циркуляции охлаждающей жидкости компрессора.

Часть 4. Рабочие процессы системы «Р.Д.В.С.» (рис. 4 - 7)

Рассмотрим работу роторного двигателя внутреннего сгорания без турбокомпрессора. Вращение вала по часовой стрелке.

1-1). Условно принимаем положение лопастей двигателя 1д-л1 - 1д-л2. Рис 4. Клапана двигателя и компрессора закрыты. Полость 1 Ураб.д заполнена рабочими газами избыточного давления. Идёт такт «рабочий ход». Полость 1 Увыхл.д заполнена отработанными газами. Идёт такт «выхлоп». Лопасти компрессора относительно лопастей двигателя устанавливаем под определённым углом. Угол смещения лопастей компрессора относительно расположения лопастей двигателя определяет степень сжатия двигателя. Чем меньше угол расхождения расположения лопастей компрессора и двигателя, тем больше степень сжатия роторного двигателя.

1-2). Лопасти компрессора при расположении лопастей двигателя в позиции 1д-л1 - 1д-л2 находятся в позиции 1к-л1 - 1к-л2 и смещены на 45 градусов относительно лопастей двигателя, что обеспечивает данной конструкции роторного двигателя степень сжатия 1/16. Укс.д/Умах.д = 1/16. Полость!Увп.к заполнена атмосферным воздухом. Идёт такт «впуск».

Полость 1 Усж.к заполнена воздухом избыточного давления. Клапана двигателя и компрессора закрыты. Идёт такт «сжатие».

2-1). Положение лопастей компрессора 2к-л1 - 2к-л2. Рис.5.

Полость 2Увп.к заполняется воздухом из атмосферы. Идёт такт «впуск».

Полость 2Умах.к в данном положении лопастей имеет максимальный объём и полностью заполнена атмосферным воздухом. Лопасть 2к-л1 перекрыла

Канал подачи атмосферного воздуха в полость 2Умах.к, а потому в этой полости закончился такт «впуск» и при дальнейшем вращении вала компрессора начнётся такт «сжатие».

Полость 2Усж.к заполнена сжатым воздухом. Воздух сжат до предельной для этой конструкции роторного двигателя величины, а значит, закончился такт «сжатие». При дальнейшем вращении вала начнётся новый такт «перекачка».

2-2). Лопасти роторного двигателя, при нахождении лопастей компрессора в позиции 2к-л1 - 2к-л2 рис.5, в позиции 2д-л1 - 2д-л2. Полость 2Уо.д. заполнена остатками отработанных газов с атмосферным давлением. В момент, когда лопасть 2д-л1 подойдёт к кромке впускного канала и перекроет его, открываются электромагнитные клапана двигателя и компрессора. Сжатый воздух из полости 2Усж.к компрессора по выпускному каналу и патрубку подачи сжатого воздуха, при открытых электромагнитных клапанах, поступает в полость 2Уо.д двигателя и заполняет её сжатым воздухом. Таким образом и начался новый для этого вида двигателей внутреннего сгорания такт «перекачка».

Полость 2Ураб.д заполнена рабочими газами избыточного давления. Площадь лопасти 2д-л2 больше площади лопасти 2д-л1. В результате, при одинаковом давлении газа на лопасти, крутящий момент на лопасти 2д-л2 больше. Лопасть 2д-л2 вращает вал-барабан по часовой стрелке, совершая полезную работу.

- Полость 2Увыхл.д заполнена отработанными газами. Через выпускной канал и выхлопную трубу отработанные газы уходят в атмосферу.

3-1). Положение лопастей компрессора Зк-л1 - Зк-л2. Рис.6.

- Полость ЗУвп.к заполнена атмосферным воздухом. Такт «Впуск» продолжается.

- Полость ЗУсж .к заполнена воздухом избыточного давления. Продолжается такт «Сжатие». Полость 3 Vo.k заполнена остатками сжатого воздуха. Основной объём сжатого воздуха подан в камеру сгорания двигателя. В момент подхода лопасти Зк-л2 к кромке выпускного канала компрессора, закрываются электромагнитные клапана компрессора и двигателя. На этом такт «Перекачка» заканчивается.

3-2). Лопасти роторного двигателя при расположении лопастей компрессора в позиции Зк-л1 - Зк-л2 находятся в позиции Зд-1л - Зд-л2.

- Полость ЗУкс.д заполнена сжатым воздухом. При подходе лопасти компрессора Зк-л2 к кромке выпускного канала компрессора закрываются электромагнитные клапана компрессора и двигателя. Такт «Перекачка» закончился. Одновременно форсункой в полость ЗУкс.д (камеру сгорания) подаётся под давлением углеводородное топливо, а на свечу зажигания искра. Таким образом в полости ЗУкс.д для лопасти Зд-л1 начинается такт «Рабочий ход».

Рабочие газы под сильным давлением действуют на лопасть Зд-л1. Перепад давлений на лопасти Зд-л1 со стороны полости 3Укс.д и полости 3Умах.д максимальный, а потому крутящий момент на лопасти Зд-л1 вращает вал-барабан по часовой стрелке, совершая полезную работу.

- Полость 3Умах.д заполнена рабочими газами и достигла своей максимальной величины. Избыточное давление рабочего газа минимальное. Лопасти Зд-л1 и Зд-л2 имеют одинаковые площади, из-за чего крутящий момент для полости ЗУмах.д равен 0. Лопасть Зд-л2 подошла к кромке выпускного канала. Таким образом в полости 3Умах.д для лопасти Зд-л2 , при дальнейшем вращении вала двигателя, закончится такт «Рабочий ход» и начнётся такт «Выхлоп».

- Полость 3Умин.д заполнена отработанными газами. Заканчивается такт «Выхлоп». Отработанные газы через выпускной канал и выхлопную трубу уходят в атмосферу

4-1). Положение лопастей компрессора 4к-л1 - 4к-л2. Рис.7.

- Полость 4Увп.к заполнена атмосферным воздухом. Идёт такт «Впуск».

- Полость 4Усж.к заполнена воздухом избыточного давления. Клапана компрессора и двигателя закрыты. Идёт такт «Сжатие».

4-2). Лопасти двигателя при положении лопастей компрессора в позиции 4к-л1 - 4к-л2 находятся в позиции 4д-л1 - 4д-л2.

- Полость 4Ураб.д заполнена рабочими газами избыточного давления.. Идёт такт «Рабочий ход».

- Полость 4Увыхл.д заполнена отработанными газами. Идёт такт «Выхлоп».

И так, вал двигателя совершил половину оборота и прошёл при этом все пять тактов «Впуск» - «Сжатие» - «Перекачка» «Рабочий ход» и «Выхлоп», а значит, завершил полный рабочий цикл роторного двигателя внутреннего сгорания. При дальнейшем вращении вала роторного двигателя рабочие циклы повторяются дважды, за каждый полный оборот вала двигателя.

Часть 5. Устройство и назначение деталей и узлов «Р.Д.В.С.»

1. Блок - корпус двигателя рис.12 (поз.1 рис.2).

Является аналогом цилиндра поршневого Д.В.С. Внутренняя шлифованная поверхность блок - корпуса двигателя изготовлена в форме эллипса. В блок -корпусе имеются каналы - отверстия для приёма сжатого воздуха из компрессора (поз.23 рис.2) и выхода отработанных газов в атмосферу (поз. 14 рис.2), отверстия для установки форсунки подачи топлива в камеру сгорания (поз. 19 рис.2) и свечи зажигания (накала) (поз.20 рис.2), а также каналы для циркуляции охлаждающей жидкости (поз.53 рис.3). Кроме того, в блок -корпусе изготовлен специальный канал для установки пластины уплотнения с вал - барабаном двигателя (поз.55 рис.3). Блок - корпус двигателя крепится торцевыми поверхностями с одной стороны к опорной стойке двигателя (поз.2 рис.2), с другой стороны к связующей опорной стойке роторного двигателя (поз.48 рис.2). К блок - корпусу герметично крепится головка блок - корпуса (поз.16 рис.2). Во внутренней полости блок - корпуса размещены, вал - барабан двигателя (поз. 10 рис.2), направляющие пластины - лопасти (поз.З рис.2) и пластины уплотнения (поз.4 - 5 рис 2).

2. Блок - корпус компрессора рис. 13 (поз.47 рис.2).

Является аналогом цилиндра поршневого Д.В.С. Внутренняя шлифованная поверхность блок - корпуса компрессора изготовлена в форме эллипса. В блок - корпусе имеются каналы - отверстия для подачи сжатого воздуха из компрессора в двигатель (поз.29 рис.2) и приёма воздуха из атмосферы (поз.33 рис.2), каналы для циркуляции охлаждающей жидкости (поз.62 рис.3) и специальный канал для установки пластины уплотнения с вал - барабаном компрессора (поз.60 рис.3). Блок - корпус торцевыми поверхностями крепится с одной стороны к опорной стойке компрессора, с другой стороны к связующей опорной стойке роторного двигателя. Во внутренней полости блок - корпуса размещены, вал - барабан компрессора (поз.36 рис.2), направляющие пластины - лопасти (поз. 44 рис.2) и пластины уплотнения компрессора (поз.45 - 46 рис.2).

3. Головка блок - корпуса двигателя рис.14 (поз. 16 рис.2). Представляет металлическую конструкцию определённой формы. В головке установлен впускной клапан подачи сжатого воздуха в камеру сгорания двигателя (поз.21 рис.2). Имеется канал для размещения пружин пластины уплотнения с вал - барабаном двигателя (поз.56 рис.3). К головке крепится выхлопная труба (поз. 18 рис.2) и патрубок подачи сжатого воздуха из компрессора в двигатель (поз.24 рис.2). Головка нижней стороной герметично крепится к блок - корпусу двигателя (поз.1 рис.2), верхняя сторона закрыта крышкой электромагнитного клапана и крышкой пружин пластины уплотнения с вал - барабаном двигателя (поз. 17 рис.2).

4. Головка блок - корпуса компрессора рис.14 (поз.32 рис.2) Представляет металлическую конструкцию определённой формы. В головке установлен выпускной электромагнитный клапан подачи сжатого воздуха из компрессора в двигатель (поз.27 рис.2). Имеется канал для размещения пружин пластины уплотнения с вал - барабаном компрессора (поз.59 рис.3). К головке крепятся патрубок подачи воздуха из атмосферы (поз.30 рис.2) и патрубок подачи сжатого воздуха из компрессора в двигатель (поз.24 рис.2). Головка нижней стороной герметично крепится к блок - корпусу компрессора (поз.42 рис.2), верхняя сторона закрыта крышкой электромагнитного клапана (поз.28 рис.2) и крышкой пружин уплотнения с вал - барабаном компрессора (поз.31 рис.2).

5. Вал - барабан двигателя рис.15 (поз.10 рис.2).

Наружная поверхность вал - барабана шлифуется для лучшего скольжения пластины уплотнения. Так же шлифуются шейки под подшипники качения и манжеты. В вал - барабане имеется шлифованный канал для установки направляющих пластин - лопастей и пластин уплотнения. Вал - барабан двигателя одной стороной шпонкой (поз.52 рис.2) соединён с вал -барабаном компрессора, другой стороной с потребителем механической энергии. Для подачи моторного масла к трущимся деталям двигателя в вал -барабане имеется калиброванный осевой канал (поз.26 рис.2).

6. Вал - барабан компрессора рис.16 (поз.36 рис.2).

Наружная поверхность вал - барабана шлифуется для лучшего скольжения пластины уплотнения. Так же шлифуются шейки под подшипники качения и манжеты. В вал - барабане имеется шлифованный канал для установки направляющих пластин - лопастей и пластин уплотнения. Вал - барабан компрессора одной стороной соединён шпонкой с вал - барабаном двигателя, на другой стороне смонтированы датчики управления электромагнитными клапанами двигателя и компрессора (поз.35 рис.2), а так же датчики управления форсункой и свечами зажигания (накала). Для подачи моторного масла к трущимся деталям компрессора в вал - барабане имеются калиброванные радиальный и осевой каналы (поз.26 рис.2).

7. Пластины уплотнения с поверхностью блок - корпуса двигателя и компрессора рис.17 (поз.З; 45 рис.2).

Аналог поршневых компрессионных колец. Состоят из двух половин. Между половинами пластин устанавливаем пружины (поз.54; 61 рис.3), которые в дополнение к центробежной силе обеспечивают необходимую плотность прилегания уплотняющих пластин к шлифованной поверхности блок -корпуса двигателя и компрессора.

8. Пластины уплотнения с торцевыми поверхностями двигателя и компрессора рис.17 (поз.5; 46 рис.2)

Аналог поршневых компрессионных колец. Так же состоят из двух половин. Между половинами пластин устанавливаем пружины (поз.5; 36 рис.2) которые, без участия центробежной силы, обеспечивают необходимую плотность прилегания к шлифованным торцевым поверхностям двигателя и компрессора. Количество пластин уплотнения, как и количество поршневых компрессионных колец, зависит от конструкции и назначения Р.Д.В.С. и может быть от двух до шести и более.

9. Направляющие пластины - лопасти двигателя и компрессора рис.17 (поз.З; 44 рис.2) представляют собой цельные металлические листы с овальной кромкой по всему периметру. Назначение направляющих пластин -лопастей, обеспечение прочности пакета пластин уплотнения на изгиб при работе двигателя и компрессора в условиях высоких температур и давлений. Количество направляющих пластин - лопастей, две в двигателе и две в компрессоре.

10. Пластины уплотнения с поверхностью вал - барабанов

двигателя и компрессора рис.17 (поз.55, 60 рис.3) представляют собой металлические изделия особой формы. Нижняя сторона пластины является продолжением блок - корпусов соответственно двигателя и компрессора, а значит, имеет профиль эллипса. Четыре боковые стороны обеспечивают плотное прилегание к поверхностям прорезей в блок - корпусах двигателя и компрессора и, одновременно, подвижность пластины уплотнения относительно вал - барабана. Верхняя поверхность пластины уплотнения обеспечивает устойчивое положение пружин (поз.54, 59 рис.3).

11.Каналы подачи моторного масла в двигатель и компрессор (поз.26 рис.2).

Ввиду отсутствия у роторного двигателя картера, как у поршневого двигателя внутреннего сгорания и невозможностью смазки трущихся деталей моторным маслом растворённым в топливе, смазку трущихся деталей (направляющих пластин - лопастей и пластин уплотнения) производим подачей моторного масла под давлением в полости вал -барабанов по калиброванным каналам в связующей опорной стойке двигателя, вал - барабане компрессора и вал - барабане двигателя. Моторное масло из полостей вал - барабанов двигателя и компрессора под воздействием центробежной силы по зазорам между направляющими пластинами и вал - барабаном, а также между пластинами уплотнения поступает на поверхность блок - корпусов и торцевые поверхности двигателя и компрессора, обеспечивая тем самым надёжную смазку трущихся деталей. В двигателе моторное масло частично сгорает вместе с топливом. В компрессоре моторное масло частично, вместе с сжатым воздухом поступает в двигатель и также сгорает. Оптимальный расход моторного масла добиваемся путём калибровки диаметров каналов подачи масла и регулировкой давления масла на входе в роторный двигатель.

12.Опорная стойка двигателя (поз.2 рис.2). Представляет собой плоскую металлическую конструкцию с отверстием под подшипник и манжеты вал - барабана двигателя. В нижней части опорной стойки имеются лапы для крепления роторного двигателя к раме или фундаменту. К опорной стойке двигателя с одной стороны крепится блок - корпус двигателя, с другой стороны упорная крышка подшипника.

13. Опорная стойка компрессора (поз.42 рис.2). Представляет собой плоскую металлическую конструкцию с отверстием под подшипник и манжеты вал - барабана компрессора. В нижней части опорной стойки имеются лапы для крепления компрессора к раме или фундаменту. К опорной стойке компрессора с одной стороны крепится блок - корпус компрессора, с другой стороны упорная крышка подшипника.

14. Связующая опорная стойка двигателя и компрессора (поз.48 рис.2). Представляет собой металлическую конструкцию определённой формы. В конструкции имеется отверстие под подшипник и манжеты вал -барабанов двигателя и компрессора. В нижней части связующей опорной стойке имеются лапы для крепления Р.Д.В.С. к раме или фундаменту. В верхней части связующей опорной стойки просверлены определённого диаметра отверстия для подачи моторного масла к подшипнику качения и прочим трущимся деталям двигателя и компрессора. К связующей опорной стойке крепятся с одной стороны блок - корпус двигателя с другой стороны блок - корпус компрессора. Поверхности прилегания вал - барабанов, направляющих пластин и пластин уплотнения к плоскостям связующей опорной стойки, опорных стоек двигателя и компрессора -шлифуются для лучшего скольжения пластин.

15. На рисунках не указаны необходимые для работы Р.Д.В.С. вспомогательные, стандартные узлы и агрегаты: - Аккумулятор необходимый для работы электростартера и датчиков управления электромагнитными клапанами двигателя и компрессора, а также датчиками управления впрыском топлива в камеру сгорания и свечами зажигания (накала) двигателя. Генератор для зарядки аккумулятора. Топливный насос высокого давления для подачи топлива в камеру сгорания. Масляный насос для подачи моторного масла в роторный двигатель. Топливный и масляный баки.

Часть 6. Технико — экономическое обоснование проекта «Р.Д.В.С.»


1). Простота конструкции. Нет уникальных, сложных при изготовлении и при эксплуатации агрегатов, таких как коленчатый и распределительный валы. В «Р.Д.В.С.» основная часть деталей и узлов типовые, стандартные изделия, что значительно снижает стоимость конструкции.

2). Предложенный нами проект «Р.Д.В.С.» наконец-то решает вековую мечту всех механиков мира - избавление от кривошипно - шатунного механизма в двигателе внутреннего сгорания.

3). Достоинством «Р.Д.В.С.» является также снижение веса на единицу мощности роторного двигателя в сравнении с поршневым ДВС.