Модульный роторный ДВС.

[Kanonier]

3. Уплотнения в роторном сложнее , чем в поршневом. Но будем опираться на ванкель. Представленна приблизительная схема, где

1- корпус, 2-крышка корпуса, 3-ротор, 4-канал, 5-лопатка, 6-уплотнение рабочей полости, 7- уплотнение лопатки, 8-уплотнение канала, 9-уплотнение зоны перехода.

 

[Kanonier]

Уплотнение рабочей полости-6. Вместе с уплотнением расположенном в корпусе 11 (общая схема двигателя), расположенные на торцах кольцеобразного выступа, обеспечивают разделение функциональной полости до лопатки –рабочий ход, и после-выпуск. Напомним-- Уплотнение на корпусе в начале зоны перехода (первое по ходу вращения-второе пока не рассматриваем), посредством кулачка геометрического замыкания выключается (поджимается в корпус) при проходе канала утопленной лопатки, что бы канал не выбил провалившиеся в него уплотнение. А далее после прохождения канала лопатки данное уплотнение включается (отверстие КС не препятствует работе уплотнения. Это выше уже обговаривали. Также зона перехода имеет профиль кривизны ротора с соответствующим зазором, тоже выше было.

Суть указанных уплотнений 6, исключить перетекание газа через щель кольцеобразного выступа. Можно сделать лабиринтное уплотнение, и проблему решена. Но не желательно нахождения отработанных газов в данной щели (маленько закоксуется) без непосредственного трения элементов. Поэтому пока так.

 

[Kanonier]

Уплотнение лопатки -7. Но тут аналогично ванкелю, как торцевой части, так и боковых сторон. Лопатка не тонкая пластина от 2,5 -3,5 см, она не сплошная и собирается из стержней, и уже на них ложатся тонкие пластины на нагруженную сторону (жаростойкая на теплоизоляции) и опорную. Так, что разместить там уплотнения аналогично ванкелю можно.

А вот торцевое уплотнение, имеет преимущество над ванкелем. Оно однонаправленное как и ванкель, но у него нет перекладывание (как у ванкеля в «талии»). Профиль функциональной полости монотонно возрастает и также убывает. И при этом с односторонним давлением газовых сил (у ванкеля газовые силы в зависимости от такта воздействуют на апекс с разных сторон).

Уплотнение канала-8. Ну, тут понятно. И с учетом выбора способа уменьшения трения и исключения перекоса лопатки.

 

[Kanonier]

Уплотнение зоны перехода-9. Это уплотнение временное, и нужно только для перехвата ТВС или сжатого воздуха, пока торцовое уплотнение лопатки не коснется профильной стенки корпуса в зоне перехода. Для этой цели, в схеме двигателя, показано второе (по ходу вращения) уплотнение расположенное в корпусе. Тут одно другое исключает (пока четко не определенно, что лучше).

Смысл такой. После того, как канал лопатки пройдет (первое (пока что) по ходу вращения) уплотнение расположенное на корпусе (а оно на тот момент отключено –поджато), уплотнение зоны перехода, расположенное перед каналом на ободе ротора, включается (кулачок геометрического замыкания). И это уплотнение начинает выгонять остаточные газы из щели зоны перехода.

И после того как и отверстие КС пройдет первое уплотнение на корпусе, (а оно уже включено) закрывается зона перехода и со стороны выпускного окна. Далее идет продувка щели сжатым воздухом (что бы эти щели не наполнились ТВС –исключение детонации. И почти одновременно, наполнение КС - ТВС (или воздухом) из предкамеры. Зона перехода перекрыта. В щели зазора сжатый воздух, в КС –ТВС.

А когда торцовое уплотнение лопатки достигнет профильной стенки полости, происходит воспламенение ТВС. Но, тогда лопатка уже перехватывает газы, и уплотнение зоны перехода НЕ НУЖНО (отключается до указанного выше момента).

 

[Kanonier]

Роторный ДВС относится к типу длинноходных (Long-stroke, с длинным ходом поршня, относительно его диаметра) двигателей. А это преимущество в более полном использовании энергии горючих газов (повышенный КПД) и больший крутящий момент.

Короткоходовые (Short-stroke) , используемые как спорткары, имеют низкий КПД, огромный расход топлива, но высокие удельные. Все ради мощщи. «Квадратные» (ход и диаметр поршня приблизительно равны), занимают промежуточное положение и так строится большинство ДВС.

"Квадратные" двигатели: Ход поршня равен диаметру цилиндра, компромисс между мощностью и тягой, и большенство ДВС по этой схеме..




Длинноходовые имеют два основных недостатка.

ПЕРВЫЙ- более низкие удельные характеристики (для поршневых). Там где у короткоходовика 4 рабочих хода (с учетом определенного объема), у «квадратного» два, у длинноходовика только один. Литровая мощность всегда меньше.

ВТОРОЙ- Значительно больше площадь (1,3 раза) поверхности цилиндра (рабочей полости). А это значит большие потери в стенку. И это еще усугубляется более (1,5-2 раза, относительно «квадратного») по времени, продолжительным тактом (больше время теплообмена-больше тепла уходит).

 

[Bulagen]

ВТОРОЙ- Значительно больше площадь (1,3 раза) поверхности цилиндра (рабочей полости). А это значит большие потери в стенку. И это еще усугубляется более (1,5-2 раза, относительно «квадратного») по времени, продолжительным тактом (больше время теплообмена-больше тепла уходит).

Тут - как посмотреть... Основные потери происходят в самом начале такта расширения, а в этой фазе у длиннохода с соотношением объема к поверхности все заметно лучше, чем у коротхохода...

 

[Kanonier]

Основные потери происходят в самом начале такта расширения, а в этой фазе у длиннохода с соотношением объема к поверхности все заметно лучше, чем у коротхохода...

Вы правы, для поршневого изначально, чем больше КС походит на квадрат (в сечении) тем меньше площадь поверхности. И при одном объеме КС у длинноходовика площадь меньше (и значительно). И только потом к концу такта догоняет. И естественно когда градиент изначально (разность температур большая) "прет" в стенку, бОльшие потери будут у короткоходовика. И они скорее всего перевесят потери, которые из-за более продолжительного времени такта будут у длиннохода.
Дело в том, что я со своим роторным сравнивал, у меня похуже в этом плане (коэффициент 1,3 это оттуда).

 

[Kanonier]

В представленном роторном варианте первый недостаток (более низкие удельные) частично снимаются большим объемом рабочей полости. Тут суть в том, что роторные варианты всегда более компактные по габаритам и массе к поршневым. Поэтому компенсируем в роторном варианте количество рабочих ходов за единицу времени - большим объемом рабочей полости.

Второй недостаток (большая поверхность охлаждения- потери в стенку) для нашего варианта актуально только в сравнении с поршневыми четырех цилиндровыми ДВС (т.е. относительно маломощными). Уже шестицилиндровый поршневой имеет поверхность охлаждения равную представленному роторному, где всегда будет четыре рабочих полости. А далее (8-10-12 цилиндров и т.д. у роторного будет значительно меньше).

Ну а, для роторных маломощных устранить данный недостаток, можно за счет создания частично адиабатного двигателя- некоторые поверхности рабочей полости сделать неохлаждаемыми.

В поршневом (к примеру неохлаждаемое маслом дно поршня), если не предусмотрено пространственное разделения тактов, сразу возникают проблемы рабочего процесса:

первая- наполнение свежим зарядом, очень горячее дно поршня будет его выталкивать, нужен наддув.

вторая- сжатие ТВС при бОльшей температуре, что может повлечь дизелинг до достижения УОЗ, со всеми вытекающими.

В модульном варианте роторного двигателя исключаются проблемы характерные поршневым с последовательным протеканием тактов. В роторном смесь приготовлена и сжата в другом модуле (параллельный процесс), и подается в отделенную КС.

 

[Kanonier]

Выше уже было показано, что определенный участок нагруженной стороны лопатки, можно сделать неохлаждаемым (жаропрочная керамическая пластина, положенная через теплоизоляцию на каркас лопатки).

Но можно не охлаждать и обод ротора. Никакой особой нагрузки он не несет. Контакт только с уплотнением, которое расположено в охлаждаемом корпусе. И все. Обод будет из жаропрочного материала (предпочтительно керамика) наложенный на каркас ротора, через теплоизоляцию. И представляет из себя изогнутую (радиусом ротора) пластину (полукольцо). На керамическом полукольце (с внутренней стороны)точечно расположены скользящие опоры, которые вставляются в направляющие на каркасе ободной части ротора. Остальная часть ободной поверхности каркаса ротора, отделена от керамической пластины (обода ротора) теплоизоляцией. Потери тепла пластины в местах контакта незначительны, и каркас не сильно нагревается (и охлаждается маслом внутри ротора). Изогнутая пластина (обод ротора)по центру точечно глухо закрепляется на ободной части каркаса ротора. Тогда тепловое расширение будет происходить в стороны к каналам лопаток.

Компенсационные щели для теплового расширения расположены у отверстия выхода канала лопатки. Причем с одной стороны от канала щель будет граничить с уплотнением зоны перехода расположенной на роторе.
А согласно с условиями работы в данный момент уплотнение рабочей полости 11(общая схема двигателя), выключена (поджата к корпусу кулачком геометрического замыканием). Поэтому уплотнение пропускает компенсационную щель полуколец ну и естественно и выход канала, без опасений быть выбитой. В данный момент уплотнение и не нужно- давление в начале и конце рабочей полости сравнялось.

Вот и все. Хотя возможны непредвиденные варианты.

 

[Kanonier]

Самая большая проблема, это исключить попадание масла на обод ротора. Это в большей степени касается смазки поверхностей крышек корпуса (профильная поверхность полости все же отстоит от обода). Надежда на центробежную силу, и с лопаткой поработать, чтобы там «сочилась» масло определенной порции, с нагруженной стороны к элементам уплотнения лопатки при вращении ротора.

С учетом того ,что потери в стенку в среднем 25-30% общих тепловых потерь, и можно уменьшить охлаждаемую поверхность почти на треть.

Тогда, можно добиться абсолютного прироста КПД до 10%.

И как можно понять, применять такой прием нужно и для более мощных роторных двигателях (которые соответствуют 8-10-12 цилиндровым поршневым и более), тут сравнительная эффективность будет еще выше.

 

[Kanonier]

Создание полных адиабатных двигателей по данной схеме, где профильная , а также и боковые стенки будут неохлаждаемые проще, чем у поршневого. Естественно для такого варианта необходимы несколько другие материалы .

Модульность позволяет осуществить, даже при внешнем смесеобразовании (что у поршневого невозможно, там может быть только дизель). Пространственное разделение тактов (да еще в при параллельном их осуществлении) позволяет уйти от проблемы «запихивания» порции воздуха (тут особые способы нужны на впуске, а про ТВС вообще разговора нет) в сверхгорячий цилиндр.

В нашем варианте, ТВС готовится при поступлении воздуха из ресивера в предкамеру. Все это относительно холодное. Вставка предкамеры (в области перехода) охлаждается. Боковых стенок в зоне перехода нет, да и профильная стенка появляется в конце зоны перехода (по ходу вращения) и заканчивается перед уплотнением рабочей полости расположенного в корпусе. ТВС подается под давлением сжатия в недоохлажденную КС (до определенной температуры- надо помнить, нам надо вернуть тепло сжатия в цикл, отобранное при охлаждение ресивера). А когда КС с ТВС подходит к элементам зажигания и впрыска, там уже без разницы, какая температура поверхностей.

Опять самая проблемная часть, это тепловые расширения поверхностей рабочей полости. Про обод ротора речь уже была, нового ничего не появится. Боковые поверхности тоже не столь проблемны, а вот профильная поверхность рабочей полости много сложнее. Одно хорошо, нет замкнутых поверхностей (типа кольца), что в меньшей степени подвергается короблению при локальном неравномерном нагреве (а это в любом двигателе норма). Так вот, для профильной поверхности на каркасе корпуса надо делать радиальные направляющие так, что бы удлинение при тепловом расширении не продвигалось в стороны (закреплено будет по центру, или около), а вверх (поверхность как бы «дышало) уходя на соответствующие расстояния с учетом угла поворота ротора, и величине выдвижения лопатки. Причем такое расширение будет почти втрое меньше, чем в стороны. Также рабочая полость, не испытывает тех механических нагрузок, как цилиндр-являющий направляющей для поршня. В данном роторном варианте лопатка, при снятых элементах уплотнения, не дотрагиваются до стенок полости.

 

[Kanonier]

Ну и самая длинная деталь подвергающаяся тепловой нагрузки будет лопатка. Если учесть, что данная деталь предположительно будет металлической, то удельное тепловое расширение будет значительно больше (в трое), чем у элементов рабочей полости выполненных из керамики. Но, нагрев самой лопатки (кроме жаростойкой пластины на нагруженной части, которая теплоизолирована), будет значительно (кратно) меньше, чем поверхности рабочей полости. Также и те частично определенная зона расширения будет скомпенсирована шатуном (около 1/3 длинны лопатки). Так, что почти на одном уровне. Дело в том, что торцевое уплотнение Может перекрыть зазор в 0,3-0,8 мм, но пусть 1 мм, но не больше. А тепловое расширение может быть до 3-3,5 мм (тут зависит от мощности т.е. габаритов –радиуса ротора). И посему, с учетом, что все рассчитано (зазоры) на рабочую температуру двигателя, перед пуском двигателя возможно изначально осуществлять нагрев лопатки (маслом по каналам охлаждения-как не парадоксально звучит). Тогда лопатка торцевым уплотнением, успеет «догнать» расширяющуюся профильную полость.

Сразу скажу, это перспектива. Будет смысл, когда появятся более менее подходящие материалы для осуществления. Но в плане реализации рабочего процесса, данная схема однозначно имеет преимущество по отношению к поршневым.

 

[Kanonier]

Пообщался с ИИ. Парадоксально но без схем, только на уточнениях за несколько десятков минут, тот разобрался в тонкостях. И начал выдавать похожие расчеты с моими. Хотя в начале, полностью откинул данную идею. Это я к тому, что некоторые одаренные, на 10 -15 стр. увидели камеру сгорания. Вот и вам и естественный интеллект.

Ну и выдал.
Ниже зафиксирована финальная архитектура адиабатного Split-Cycle двигателя Аткинсона для передачи на этап 3D-моделирования (CAD) и газодинамического расчета (CFD). Узел / Параметр Выбранное инженерное решение Физический / Термодинамический смысл Режим работы Низкооборотный (900 об/мин), 4 такта на модуль за оборот. Снижение сил инерции. Линейная скорость апекса <15 м/с. Высокий ресурс. Компоновка 2 одинаковых модуля расширения на одном валу со смещением на 90°. Идеальный баланс вала (0 радиальных нагрузок). 8 рабочих ходов за оборот. Отбор мощности Центральное многодисковое мокрое сцепление между модулями. Полая передача на параллельный вал КПП. Компактность. Демпфирование момента. Термодинамика Цикл Аткинсона (Сжатие 14:1 ) Расширение 24:1). Газы отдают всю энергию. Низкое давление и температура на выпуске. Максимальный КПД. Смесеобразование Внешнее, сверхбедные смеси (alpha = 1,5 - 2,5). Качественное регулирование. Исключение детонации в компрессоре. Минимальный расход топлива. Камера сгорания Изолированная гладкая сфера (лунка) в монолите ротора. Отсутствие «карманов» для детонации. Минимальные теплопотери в стенки. Зажигание Объемное многоточечное в точке локального впрыска в статоре. Кратное ускорение первой стадии горения бедных смесей. Привод лопаток Десмодромный КШМ. Плечо удержания в канале всегда 2 раза больше выдвижения. Фиксированный микрозазор апекса (0,01 мм). Исключение заклинивания. Опорная часть паза Игольчатые подшипники качения + гидростатические карманы. Замена трения скольжения на качение и жидкостный сдвиг под пиковой нагрузкой. Нагрузочная сторона Масляная ванна, маслосъемные уплотнения (без газовых). Работа по холодному выхлопу Аткинсона. Нулевой износ. Отсутствие угара масла. Адиабатизация Жаропрочные экраны лопаток и полукольца обода ротора. Ротор раскален 800 C, статор изолирован. Сохранение тепла в цикле расширения. Уплотнение статора Пластина за выхлопным окном. Десмодромный микролифт (кулачок, ход 0,1 мм). Принудительное удержание пластины от провала в проходящую лунку ротора. Регенерация тепла Намеренное недоохлаждение лунки ротора маслом до 250 C. ТВС из ресивера мгновенно забирает тепло стенки лунки перед искрой, поднимая Pmax. Модуль сжатия Зеркальный роторно-пластинчатый десмодромный компрессор на общем валу. Эффективная работа на 900 об/мин. Синхронная порционная подача воздуха."
Этот технический паспорт представляет собой готовую инженерную концепцию высокоэффективного роторно-пластинчатого двигателя.

И еще выдал кучу расчетов по механике и тепловым нагрузкам каждого узла.

 

[Kanonier]

ИНЖЕНЕРНЫЙ ПАСПОРТ ПРОЕКТА И ТЗ

Объект разработки: Роторно-пластинчатый ДВС с параллельно-пространственным разделением цикла (Split-Cycle) и геометрией расширения Аткинсона.

---

​

1. ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ И КИНЕМАТИКА СИЛОВОГО БЛОКА


Режим работы силового блока: Постоянный, низкооборотный — 900 об/мин.

Такты на модуль: 4 такта за 1 оборот вала.

Число рабочих ходов: 8 рабочих ходов за 1 оборот общего вала (2 тождественных модуля расширения на едином валу).

Компоновка: Угловое смещение модулей расширения строго на 90° для полной взаимной компенсации радиальных сил (нулевая радиальная нагрузка на опорные подшипники вала).

Вывод мощности: Между модулями интегрировано центральное многодисковое мокрое сцепление с полым выводом мощности на параллельный вал КПП.

Ограничение скорости: Линейная скорость апекса лопатки — не более 15 м/с. Максимальный габаритный радиус рабочей камеры по траектории апекса — 159 мм.

---

​

2. КОНСТРУКЦИЯ РОТОРА И ДЕСМОДРОМНОГО ПРИВОДА ЛОПАТОК

Топология ротора: Т-образный профиль («Гантель»). Центральный кольцевой выступ (два полукольца толщиной 20 мм). С обеих сторон — полный кольцевой обод (ширина 100 мм).

Изоляция: Внутренняя масляная ванна ротора закрыта защитными крышками. Продольные прорези в крышках выполнены исключительно под проход силовых штырей лопатки.

Открытый канал: Паз под лопатку в кольцевом выступе открыт с боков. Изолированный «колодец» отсутствует, что исключает гидравлический/пневматический замок при утапливании лопатки.

Планетарный десмодромный привод 1:2: На статоре жестко зафиксировано неподвижное центральное зубчатое колесо (солнце). На вращающемся суппорте ротора размещены сателлиты-кривошипы с шатунами, соединенными со штырями лопаток. Передаточное отношение 1:2 (2 оборота кривошипа на 1 оборот ротора; обороты сателлитов — 1800 об/мин). Механизм генерирует чистое синусоидальное движение лопаток, обеспечивая постоянный контакт уплотнений со стенками статора без фазы перекладывания граней.

Конструкция лопатки (Толщина 20–25 мм): Облегченная пространственная треугольная ферма с раскосами. Паз под торцевой апекс смещен от центра строго к нагруженной (рабочей) грани. Гнездо апекса выполнено со скосом в сторону действия одностороннего давления газов для газодинамического самоприжима. В толстые торцы интегрированы прямоугольные боковые уплотнительные сухари с Г-образным перекрытием (внахлест) с апексом