РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
(рото-мотор)

Сергей Устинович

Единственным назначением любого двигателя, в том числе и теплового, является передача механической энергии потребителю.

Механическая энергия, которую за каждый оборот от вала двигателя способен получить вал потребителя, характеризуется всего лишь двумя параметрами: величиной вращающего (крутящего) момента вала и степенью равномерности его вращения.

Величина вращающего момента определяется значениями двух его составляющих: величиной вращающего усилия и геометрической длиной рычага этого момента.

В профиле механизма рычаг вращающего момента геометрически представляет собой перпендикуляр, проведенный из точки его опоры на линию действия усилия, производящего угловое перемещение этого рычага относительно точки опоры. При переменном направлении вектора вращающего усилия и переменном расположении точки опоры относительного линии действия силы, длина рычага также является переменной величиной.

В двигателях внутреннего сгорания объёмного вытеснения усилия от нагретого рабочего тела в такте его рабочего хода принимаются и передаются на рычаг вала потребителя через рычаги механических элементов, принадлежащих механизму двигателя. Механизм секции поршневого двигателя обладает только одним рычагом вращающего момента, способным принимать через поршень и шатун все усилия рабочего тела и передавать их на вал потребителя. Им является эксцентриситет е эксцентрика вала, совершающий однонаправленное угловое перемещение относительно коренной оси вала. В то время как механизм роторно-поршневой секции Ванкеля содержит два силовых рычага, одновременно принимающих на себя через ротор все усилия нагретого заряда рабочего тела в такте его рабочего хода и совершающих однонаправленное угловое перемещение.

Планетарное перемещение ротора в профиле механизма секции роторно-поршневого двигателя является результатом одновременного действия в двух узлах механизма двух вращающих моментов: М1 и М2.

Первый узел в профиле секции постоянно обеспечивает поворотно-поступательное перемещение ротора относительно коренной оси секции по траектории поворота эксцентриситета и оси эксцентрика вала, совпадающей с осью ротора (фиг. 1, 2). Рычагом вращающего момента М1 этого узла является перпендикуляр w, в профиле секции проведенный от точки его опоры – коренной оси роторной секции до линии действия результирующего усилия Р рабочего тела. В качестве механического узла, преобразующего усилие газа в усилие по перемещению рычага w, выступает силовой подшипник эксцентрика.

Второй узел постоянно обеспечивает вращательное движение ротора относительно его собственной оси. Рычагом вращающего момента М2 является перпендикуляр m, в профиле секции проведенный из точки его опоры относительно статора – текущей по направлению вращения ротора точки контакта программных шестерен статора 2 и ротора 3 на тот же самый вектор Р усилия работающего газа. Механическим узлом, обеспечивающим опору рычага m при передаче к нему усилия от газа, является данная пара программных шестерен.

Для обоих рычагов w и m усилие Р работающего газа в профиле секции приложено к оси ротора. Условно усилие Р раскладывается на две составляющие Р1 и Р2, которые в профиле механизма приложены к одной точке и имеют одно направление действия. Усилие Р1 создаёт вращающее усилие в моменте М1, а усилие Р2 – в моменте М2.

Взаимное действие этих двух моментов дает планетарное перемещение трёхгранного ротора относительно коренной оси секции, при котором профиль ротора описывают симметричную замкнутую кривую линию – эпитрохоиду.

Роторно-поршневой двигатель Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

В классической схеме эпитрохоидного механизма с эксцентриковым валом в силовой передаче механической энергии от газа на вал потребителя участвует только первый узел. Как и в схеме кривошипно-шатунного механизма секции поршневого двигателя рычаг w этого узла (фиг. 1, 2) является как рычагом, принимающим усилия Р1 работающего газа, так и рычагом, передающим эти усилия на вал потребителя. Рычаг m второго узла также постоянно участвует в принятии на себя усилия Р2 работающего газа, но так как ротор это усилие дальше никуда не передает, то вращающий момент М2 с рычагом m работает только на режим программного перемещения ротора (холостого хода).

На базе программного эпитрохоидного механизма принципиально возможна другая схема (фиг. 3, 4), в которой первый узел с рычагом w постоянно работает на программное перемещение ротора, а второй узел с рычагом m производит передачу механической энергии на вал потребителя. И этот вариант уже является более выгодным хотя бы потому, что, согласно кинематической схеме механизма (фиг. 1, 2), при одинаковом общем для них усилии Р нагретого газа переменный по своей длине рычаг m всегда и существенно больше (0 < m < 3e) синхронно с ним переменного по длине рычага w (0 < w < e).

Следует отметить, что существует и схема программного эпитрохоидного механизма, в котором оба эти узла одновременно участвуют в передаче механического усилия газа, работающего в такте рабочего хода. Этот механизм обладает двумя автономными валами, соосными с коренной осью секции двигателя, но работающими на два независимые друг от друга потребителя механической энергии. В принципе этот вариант является одновременным применением в одном механизме классической и предлагаемой здесь новой схемы.

Исключение эксцентрика из конструкции механизма двигателя объёмного вытеснения невозможно не только потому, что в ней он является основным программным элементом, но и потому, что он представляет собой её единственный элемент, который демпфирует пиковый импульс заряда рабочего тела в начальной фазе процесса сжигания топлива в камере сгорания. Фактически эксцентрик является тем самым элементом конструкции механизма, без которого его динамический узел просто-напросто разрушился бы от мощного импульса мгновенно нагреваемого газа.

В новом эпитрохоидном механизме (фиг. 3, 4) эксцентрик исключается только из узла передачи механического усилия работающего газа на вал двигателя (и обратно от вала к газу) путем разрыва жесткой механической связи между эксцентриком и валом. В этом случае эксцентрик теряет одну из трёх своих прежних функций в механизме секции. Он больше не является элементом силовой цепочки между рабочим телом и валом, но по-прежнему остается программным и демпфирующим элементом устройства.

Вместе с этим в механическую схему секции дополнительно вводится новый силовой узел, механически связывающий ротор и вал. Он представляет собой пару силовых шестерен 6 и 7 (фиг. 3, 4). Эта пара похожа на пару известных программных шестерен статора 2 и ротора 3 роторно-поршневого механизма. Только меньшая из них по диаметру силовая шестерня 6 с внешними зубьями соосно и жестко закреплена на цилиндрическом валу 5. Она находится внутри и в зацеплении с большей по диаметру силовой шестерней с внутренними зубьями 7, соосно и жестко закрепленной внутри ротора 8, как и шестерня 3.

Фактически в силовой цепочке механизма силовой подшипник скольжения заменяется более эффективной силовой однозвенной шестерёнчатой передачей.

В любой паре обычных цилиндрических шестерен с внешними зубьями, при неподвижном секторе зацепления их зубьев, вращение ведущей шестерни в одном направлении, например, по часовой стрелке, инициирует вращение ведомой шестерни в противоположном направлении – против часовой стрелки.

В паре шестерен, принадлежащих новому механизму (фиг. 3, 4), ведущая шестерня 7 ротора совершает планетарное перемещение в пространстве вокруг ведомой шестерни 6 вала. Хотя ведущая шестерня 7 ротора имеет внутренние зубья, но, благодаря принципу планетарного перемещения, она, подобно вращающейся относительно своей оси шестерне с внешними зубьями, инициирует ведомую шестерню 6 вала с внешними зубьями к вращению относительно неподвижной коренной оси вала в направлении, противоположном от направления перемещения шестерни 7 ротора. В этом случае сектор зацепления зубьев шестерен 6 и 7 постоянно перемещается по направлению движения ротора.

При соблюдении описанных условий соосности отношение диаметров силовых шестерен 6 вала и 7 ротора может быть представлено в виде отношения любых чисел (кроме отношения 2:3).

В классической схеме механизма с эксцентриковым валом (фиг.1, 2) в силовой цепочке между газом и потребителем механической энергии действует вращающий момент М1 и работает только один рычаг w. Составляющая Р1 действия на ротор нагретого рабочего тела одновременно является и вращающим усилием на валу потребителя, сообщающим угловое перемещение рычагу w.

М1 = Р1 . w

Моментом для программного вращения ротора в классической схеме (фиг.1, 2) является вращающий момент М2 с рычагом m.

М2 = Р2 . m

В новой схеме момент М1 обеспечивает программное вращение ротора, а у момента М2 в силовой цепочке между нагретым рабочим телом и валом потребителя работают три рычага (фиг. 3, 4). Первый – это известный рычаг m ротора, принимающий усилия Р2 работающего газа в узле программных шестерен 2 и 3. Второй – это меньший, чем m, рычаг n ротора, передающий возросшее вращающее усилие Tn от силовой шестерни 7 ротора на силовую шестерню 6 вала. Третий – это рычаг k шестерни 6 вала секции, принимающий усилия Тk от ротора и передающий его валу потребителя.

М2 = Р2 . m = Tn . n = Тk. k

В зависимости от длины рычагов происходит трансформация величины усилия газа Р2 во вращающее усилие Тk вала потребителя (фиг. 4).

Tk = Р2 . m / k

Поэтому чем большие диаметр программных шестерен, а также чем меньше диаметр силовой шестерни вала, тем вращающее усилие Тk на валу потребителя, соединенного с валом секции новой схемы, будет больше текущего усилия Р2 рабочего тела.

Однако диаметр силовой шестерни 6 вала может быть уменьшен настолько, насколько позволяет выбранная величина диаметра силового цилиндрического вала 5. В связи с этим для секции трёхгранного ротора оптимальным является отношение диаметров силовых шестерен 6 вала и 7 ротора, равное 3 : 5 при k =1,5е. Для роторной секции пятигранного ротора оптимальным является отношение диаметров шестерен 6 и 7, равное 2 : 3 при k =2е.

За три своих полных оборота по часовой стрелке ротор 8 заставляет вал 5 секции повернуться против часовой стрелки на один полный оборот.

В роторно-поршневом механизме с эксцентриковым валом на фиг. 1, 2 за один полный оборот ротора 8 вал 1 делает три полных оборота. Поэтому во взаимном сравнении вал 1 условно можно считать быстроходным, а вал 5 нового механизма фиг. 3, 4 – тихоходным. Этот фактор позволяет новому механизму оптимально подстраиваться под требуемое изменение режима вращения вала потребителя.

Как и в роторно-поршневом (фиг.1, 2), так и в новом механизме (фиг.3, 4) ротор совершает точно такое же планетарное перемещение. Однако передачу усилий от рабочего тела к валу в нём выполняет не поступательно-поворотный узел механизма через силовой подшипник эксцентрика, как в поршневом механизме, а силовой узел вращения ротора посредством соосно и жестко закрепленной на нём силовой шестерни, вращение которой сообщает вращательное движение силовой шестерне автономного цилиндрического вала секции. Поэтому, по принципу передачи вращающего усилия ротора во вращающее усилие вала, механизм и двигатель, построенный на его базе, можно условно назвать роторным.

За один оборот вала: поршень совершает 1 полный ход и 0,5 цикла рабочего тела; трехгранный ротор роторно-поршневой секции – 0,33 полного хода и 1 цикл рабочего тела; трёхгранный ротор роторной секции – 3 полных хода и 9 циклов рабочего тела. В роторной секции трёхгранный ротор в 3 раза быстроходнее поршня и в 9 раз - трёхгранного ротора роторно-поршневой секции. А эксцентрик роторной секции за один оборот вала в 9 раз быстроходнее эксцентриков как поршневой, так и роторно-поршневой секций.

В роторной секции длительность сектора поворота эксцентрика, в пределах которого ротор способен передавать механическую энергию потребителю, составляет 135 градусов, в интервале поворота эксцентрика после верхней мёртвой точки от 67,5 до 202,5 градусов. На валу роторной секции эта передача девятикратно концентрируется в 15 градусах его поворота.

В этот период, при объективно убывающей величине усилия воздействия нагретого рабочего тела на грань трёхгранного ротора, концентрация вращающего усилия вала сопровождается его нарастающим увеличением. К моменту достижения рычагом m программных шестерен 2 и 3 роторного механизма своего максимального значения, равного, величина вращающего усилия вала в 2 раза превосходит текущую величину усилия воздействия нагретого рабочего тела на грань ротора. Тем самым механизм роторной секции компенсирует потребителю объективно убывающую силу давления горячих газов на ротор. Такого нет ни в поршневой, ни в роторно-поршневой секциях.

При этом в роторной секции сжимается и длительность паузы в передаче механической энергии от рабочего тела через механизм секции на вал потребителя, начинающейся с момента окончания процесса предыдущей передачи и продолжающейся до момента начала процесса следующей передачи. Если в поршневой секции эта пауза составляет 637 градусов поворота вала, а в роторно-поршневой секции – 225 градусов, то в роторной секции – всего лишь 25 градусов поворота вала.

В связи с этим равномерность вращения вала и концентрация усилия на валу в период передачи механической энергии потребителю позволяют в устройстве роторного двигателя ограничиться количеством секций не более двух и использовать небольшую массу маховика.

Наибольшее количество механической энергии на вал потребителя за каждый оборот своего вала способны передавать такие механизмы двигателей объемного вытеснения, в каждой секции которых удается выполнить три условия: разместить в рабочей полости максимальную массу рабочего тела, подвести к ней максимально возможное количество теплоты и воспроизвести механизмом секции максимально большое количество тактов рабочего хода. Эти оптимальные условия для тепловых двигателей объемного вытеснения известны ещё со времён паровых двигателей.

В секциях известных двигателей внутреннего сгорания, конструкционно, два первых условия решаются, соответственно, принудительным наддувом рабочего тела и высокой степенью его сжатия в камере сгорания. Благодаря ним, на каждый оборот вала суммарно можно получить до 30% приращения количества воспроизводимой работы, а в некоторых уникальных моторах и до 50%, по сравнению с двигателями того же объема, работающими на низко-октановом топливе.

Роторная секция также может использовать эти приёмы. Но даже только при использовании низко-октанового топлива, в рабочей полости секции роторного двигателя суммарная масса рабочего тела, выполняющего работу за один оборот вала, в 9 раз превышает подобную массу как поршневой, так и роторно-поршневой секций. Соответственно, в её рабочей полости воспроизводится 9 тактов рабочего хода, что дает приращение количества работы на каждый оборот вала по сравнению с роторно-поршневой секцией того же объёма на 800 % и по сравнению с поршневой секцией на 1700 %.

Поэтому применение таких дополнительных технических приёмов, как принудительный наддув и высокая степень сжатия рабочего тела, в роторном двигателе не играет столь большой роли, как в известных поршневом и роторно-поршневом двигателях. Для повышения эффективности последних ничего не остается делать, лишь только, усложняя конструкцию в ущерб стоимости и надёжности, ужесточать в их рабочей полости условия воспроизводства процессов цикла рабочего тела.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Автор: Сергей Устинович
Сайт автора: www.roto-motor.ru
Дата публикации 27.03.2008гг


вверх