ДВУХРОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ МЕХАНИЗМ
I. УСТРОЙСТВО двухроторно-поршневого механизма.
В КОЛЬЦЕВУЮ КАМЕРУ, образованную внешней
цилиндрической поверхностью, внутренней
цилиндрической поверхностью и двумя
плоскими боковыми поверхностями, помещены
с возможностью передвижения несколько поршней,
соединённые жёсткой связью сдвумя роторами,закон вращения
которых, а, следовательно, и закон передвижения поршней задаётся
специальным ПРИВОДОМ. На одних участках кольцевой камеры происходит
замедление движения поршней, на других - ускорение, причём поршни, которые
движутся быстрее, догоняют те поршни, которые движутся медленнее или
"убегают" от них, в результате чего расстояния между поршнями
постоянно меняются и объёмы заключённые между ними также
постоянно меняются и, если поршни притёрты с достаточной
точностью к поверхностям кольцевой камеры, то и давления газа или
жидкости в этих объёмах также меняются.
Запустите exe-файл, чтобы посмотреть механизм в действии
Изображение можно вращать "стрелками" или мышкой".
Простейшим из двухроторно-поршневых механизмов является
такой, в котором к каждому из двух роторов подсоединено по
одному поршню, то есть в кольцевой камере движутся друг за
другом всего два поршня. Такой двухроторно-поршневой механизм,
называется двухтактным. Если к каждому ротору подсоединено по
два поршня и в кольцевой камере друг за другом движутся всего
четыре поршня, то такой двухроторно-поршневой механизм
называется четырёхтактным. Теоретически к каждому ротору можно
было бы присоединить по три и более поршней, но практического
применения такие механизмы пока не нашли.
II. ПРИМЕНЕНИЕ двухроторно-поршневых механизмов :
Двухтактный ДРПМ применим :
1. В насосах ( газовых и гидравлических )
2. В пневматических и гидравлических моторах
3. В двигателях внешнего сгорания, в том числе паровых
4. В двухтактных двигателях внутреннего сгорания
Четырехтактный ДРПМ применим :
1. В насосах ( газовых и гидравлических )
2. В пневматических и гидравлических моторах
3. В двигателях внешнего сгорания, в том числе паровых
4. В двухтактных двигателях внутреннего сгорания
5. В четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания
III. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
двухроторно-поршневых механизмов
В сравнении с широко распространённым кривошипно-
шатунным механизмом ДРПМ более компактны, проще по
конструкции и дешевле в производстве. В них нет боковых сил,
вызывающих дополнительное трение и износ трущихся
поверхностей, поэтому они более долговечны. В сравнении с
известным роторно-поршневым механизмом WANKEL они могут
обеспечить более высокие степени сжатия, необходимые для
осуществления дизельного цикла. Кроме того, у них никогда не
сообщаются впускные окна с выхлопными, благодаря чему они
экономичнее. ДРПМ применимы и в адиабатных двигателях.
IV. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
двухроторно-поршневых механизмов
В КОЛЬЦЕВОЙ ПОЛОСТИ перемещаются поршни, каждый из
которых присоединён к одному из двух роторов, закон вращения
которых задаётся ПРИВОДОМ. На рис.1 показано, каким образом
меняются скорости движения поршней при работе двухтактного
двухроторно-поршневого механизма. Изображён момент, когда
поршень I движется с минимальной скоростью, а поршень II - с
максимальной. При этом в полости, где поршень II убегает от
поршня I, происходит расширение газа, так как объём полости
увеличивается, а в полости, где поршень II догоняет поршень I,
происходит сжатие газа, так как объём полости уменьшается.
На рис.2 изображён момент, когда поршень II догнал поршень I,
и они движутся с одинаковыми скоростями. Расстояние между
поршнями сократилось до минимума, объём верхней полости
минимален, а давление газа в ней - максимально, объём нижней
полости максимален, а давление газа в ней - минимально.
На рис.3 показано, каким образом меняются скорости движения
поршней при работе четырёхтактного двухроторно-поршневого
механизма. Изображён момент, когда поршни I и III движутся с
минимальными скоростями, а поршни II и IV - с максимальными.
При этом в полостях A и С происходит расширение газа, так как
объёмы полостей увеличиваются, а в полостях В и D - сжатие газа,
так как объёмы полостей уменьшаются.
На рис.4 изображён момент, когда поршни IV и II догнали
соответственно поршни I и III. Расстояния между поршнями I - IV и
III - II сократилось до минимума, объёмы полостей D и B
минимальны, а давление газа в них - максимально. Расстояния
между поршнями II - I и IV - III возросли до максимума, объёмы
полостей А и С максимальны, а давление газа в них - минимально.
НАСОС
На рис.5 изображён насос с двухтактным двухроторно-
поршневым механизмом. Газ ( воздух ) всасывается через впускное
окно, сжимается и выходит в выпускное окно. Клапаны отсутствуют,
в них нет потребности, так как достаточно хорошо притёртые к
кольцевой полости поршни герметично перекрывают окна, и они
между собой не сообщаются, поэтому сжатый газ не может
вернуться через насос. Впускное окно должно обеспечивать
максимальное наполнение полости всасывания с минимальным
сопротивлением, поэтому оно должно быть как можно более
широким, но таким, чтобы поршень мог полностью перекрывать его
в нужные моменты времени. Выпускное же окно может быть
гораздо уже, в зависимости от того под каким давлением должен из
него выходить газ. Методика расчёта размеров входного и
выходного окна приводится ниже. Насос для жидкости
(гидравлический насос) должен иметь входное и выходное окна по
возможности максимальных размеров из-за того, что жидкости
практически несжимаемы.
На рис.6 изображён насос с четырёхтактным двухроторно-
поршневым механизмом. В отличие от насоса с двухтактным
двухроторно-поршневым механизмом у него имеется два входных и
два выходных окна. Газ или жидкость одновременно поступает в
две полости всасывания и одновременно выходит из двух полостей
нагнетания. Методика расчётов размеров входных и выходных окон
для таких насосов приводится ниже. Насосы с четырёхтактным
двухроторно - поршневым механизмом несколько сложнее насосов с
двухтактным двухроторно - поршневым механизмом, но имеют
преимущества в уравновешенности вращающихся масс поршней и
деталей привода, а также в уравновешенности давлений в
противоположных полостях, что повышает долговечность насоса и
позволяет делать его более высокооборотным, а, следовательно, и
более производительным.
РАСЧЁТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ насосов с ДРПМ
Если не учитывать перетекание газа или жидкости через зазоры
между поверхностями кольцевой полости и поверхностями поршней,
то за один цикл всасывание - нагнетание через насос теоретически
пройдёт такой объём газа или жидкости :
В двухтактном двухроторно-поршневом насосе :
где D, d и В - параметры кольцевой полости, а a - угол поршня
В четырёхтактном двухроторно-поршневом насосе :
Для определения объёма газа или жидкости, прокачиваемого за один
оборот насоса, нужно учесть, что у двухтактного двухроторно-
поршневого насоса за один оборот происходит два цикла
всасывание - нагнетание, а у четырёхтактного - четыре, поэтому
результат, полученный с применением предлагаемых выше формул,
нужно умножить соответственно на 2 и на 4. Для определения
объёмов газа или жидкости, прокачиваемых насосом за
определённый отрезок времени, нужно умножить
производительность насоса за один оборот на количество оборотов,
которые он за это время успеет совершить.
В КОНСТРУКТИВНОМ ИСПОЛНЕНИИ двухтактных
двухроторно-поршневых насосов возможны следующие варианты :
- поршни соединены с роторами, а внешний цилиндр и стенки
неподвижны;
- одна стенка и цилиндр неподвижны, один поршень соединён с
ротором, а другой поршень соединён со стенкой, присоединённой к
другому ротору ;
- стенки неподвижны, к одному ротору присоединены внешний
цилиндр и соединённый с ним поршень, а второй поршень соединён
с другим ротором;
-поршни присоединены к разным стенкам, а уже они соединены
каждая со своим ротором, неподвижен только цилиндр.
В КОНСТРУКТИВНОМ ИСПОЛНЕНИИ четырёхтактных
двухроторно-поршневых насосов возможны такие же варианты, как
и в двухтактных, только количество поршней удваивается.
Двухроторно-поршневые насосы могут работать без смазки, если
между стенками кольцевой полости и поршнями имеется
гарантированный зазор. Применение смазки при перекачке газа
уменьшает перетекание газа через зазоры, но появляется вязкостное
трение и сопротивление растёт. Наилучший результат будет получен
при удачном подборе материалов. Соприкасающиеся поверхности
должны легко притираться друг к другу без задиров. Хорошо
сочетаются такие материалы : чугун с твёрдой полированной сталью,
мягкая сталь с твёрдой полированной сталью, бронза с твёрдой
полированной сталью, алюминий с твёрдой полированной сталью,
текстолит с твёрдой полированной сталью и другие. Положительный
результат даёт также специальное покрытие соприкасающихся
поверхностей, например кадмирование, которое улучшает
притираемость поверхностей, а также защищает их от коррозии.
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОТОРЫ
( двухроторно-поршневые )
Если в двухтактный двухроторно-поршневой насос, описанный
выше, подать под давлением газ или жидкость, при том, независимо
в какое из двух окон, то он будет вращаться, но для страгивания с
места вал насоса нужно будет провернуть в нужном направлении.
Чтобы получить вращение в другую сторону, достаточно давление
газа или жидкости подвести к другому окну. Первоначальное
проворачивание такого мотора необходимо, так как некоторое время
в цикле окна перекрыты поршнями и газ или жидкость под
давлением просто не будут поступать в кольцевую полость.
Применение двух или трёх цилиндрового пневмо или гидромотора
(рис.7 ) позволит запускать его при любом положении поршней, так
как всегда в каком-то из цилиндров впускное окно обязательно
открыто и газ или жидкость под давлением начинает прокручивать
мотор, окно открывается в следующем цилиндре и так далее.
Пневмомотор с двухроторно-поршневым механизмом будет
экономичнее, если выпускное окно сделать как можно шире, а
впускное - как можно уже, причём, чем больше давление газа на
входе, тем уже должно быть входное окно и в идеале нужно
стремиться к тому, чтобы газ выходил из выпускного окна с
возможно меньшим давлением, т. е. происходило полное расширение
газа внутри пневмомотора. Методика расчёта размеров окон будет
приведена ниже.
Пневмо и гидромоторы с четырёхтактным двухроторно-
поршневым механизмом выгодно отличаются от двухтактных
уравновешенностью масс и давлений внутри мотора, благодаря чему
они могут быть более скоростными. У них два впускных окна и
два выпускных, поэтому количество подводящих каналов
удваивается. Это усложняет конструкцию, но не намного.
Расчёт характеристик пневмо и гидромоторов приводится ниже.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
1. ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Паровой двигатель с двухроторно-поршневым механизмом может
быть выполнен по обычной схеме : вода доводится до кипения в
котле, пар под высоким давлением поступает во входное окно
двухтактного ДПРМ или в два входных окна четырёхтактного
ДПРМ. Энергия пара превращается в механическую энергию, а
конденсат воды возвращается назад в котёл. В отличие от
классического поршневого парового двигателя с кривошипно-
шатунным механизмом отсутствует золотниковое распределение
пара. При удачном выборе размера входного окна, КПД повышается.
Паровой двигатель с ДРПМ может быть выполнен и по
другой схеме : стенки кольцевой камеры ДРПМ разогреваются
горелкой, вода при температуре близкой к температуре кипения
впрыскивается в рабочую полость, где, соприкасаясь с нагретыми
поверхностями, быстро испаряется и, образовавшийся при этом, пар
приводит ДРПМ во вращение. Повышение КПД ожидается за счёт
того, что пар при расширении продолжает интенсивно
подогреваться. Отработанный пар, став конденсатом воды, снова
впрыскивается в рабочую полость. Кроме воды возможно
использование легкокипящих жидкостей или жидкостей, не
вызывающих коррозии деталей двигателя.
2. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Известный двигатель STIRLING, в котором в качестве рабочего
тела используется гелий ( водород ) под очень высоким давлением
(до 200 кг/см ), работает по такому принципу: при расширении газ
подогревается через стенки головки рабочего цилиндра внешним
источником тепловой энергии, а при сжатии газа лишняя тепловая
энергия от него отводится через стенки рабочей камеры в
холодильник. Газ перегоняется из сжимающейся полости в
расширяющуюся через специальный регенератор и благодаря
последнему КПД двигателя возрастает.
На рис.8 изображён двигатель с внешним подводом тепловой
энергии с ДРПМ. Тепловая энергия к рабочему телу ( гелий или
водород под высоким давлением ) подводится через стенки
кольцевой полости от внешнего источника тепловой энергии в том
месте, где объём рабочей полости увеличивается. Холодильник же
интенсивно отводит тепловую энергию от той порции газа, которая
находится в сжимающейся рабочей полости. Для того, чтобы
теплообмен протекал достаточно быстро, поверхность
соприкосновения рабочего тела со стенками, подводящими к нему
тепловую энергию, или, отводящими от него тепловую энергию,
должна быть максимально возможной, а слой рабочего тела -
минимальным. Возможно пропускание носителей тепловой энергии -
расплавленных лёгких металлов ( натрий, литий ) по специальным
каналам, расположенным в стенках кольцевой полости, что позволяет
применить аккумулятор тепловой энергии. На рис.9 изображён
обратный цикл, когда при принудительном вращении ДРПМ и
интенсивном отводе тепла из зон сжатия, происходит сильное
охлаждение в зонах расширения, что применимо в холодильных
агрегатах.
Внешний подвод энергии ( отвод её ) в двигателях с ДРПМ в
двухтактном исполнении происходит на одном участке кольцевой
полости, а в четырёхтактном исполнении - на двух участках.
На рис.10 изображён двигатель внешнего сгорания с двумя
ДРПМ, имеющими общий привод. Очищенный в фильтре
атмосферный воздух сжимается в первом ДРПМ, выступающим в
данном случае в роли компрессора. Он может быть как
двухтактным, так и четырёхтактным ( с двумя всасывающими
входами и двумя нагнетающими выходами ). Выделяющееся при
сжатии воздуха тепло может отводиться в атмосферу через
оребрение ДРПМ или радиатор водяного охлаждения, тогда
процесс сжатия воздуха будет экономичнее. Сжатый воздух от
компрессора поступает в теплообменник. Проходя по каналам
теплообменника, расположенного в камере сгорания, воздух сильно
нагревается. При высокой температуре и неизменном давлении
объём воздуха увеличивается. Из теплообменника воздух поступает в
другой ДРПМ, который, по сути, является пневмомотором и
преобразует энергию сжатого воздуха в механическую работу. Как и
компрессор, он может быть двухтактным или четырёхтактным ( с
двумя входами и двумя выходами ). Объём рабочей полости в
двухтактном пневмомоторе ( суммарный объём рабочих полостей в
четырёхтактном пневмомоторе ) должен быть увеличен по сравнению
с объёмом компрессора настолько, насколько увеличивается объём
воздуха после его разогрева в теплообменнике. Тогда на выходе из
него воздух будет иметь давление близкое к атмосферному.
Температура же воздуха на выходе из пневмомотора ещё довольно
высока и, поступая в камеру сгорания, он хорошо поддерживает
горение топлива в ней. Сильно разогретые продукты сгорания
топлива отдают часть своей энергии новым порциям воздуха,
перекачиваемым по теплообменнику от компрессора к
пневмомотору. Остатки тепла могут быть использованы для
подогрева топлива, а также для обогрева помещений или салона
транспортного средства. Продукты сгорания, а с ними и часть тепла
выбрасываются в атмосферу. Так как горение топлива в камере
сгорания происходит в оптимальных условиях при избытке
кислорода, то выброс токсичных веществ в атмосферу минимален.
Допустимо использование дешёвого топлива, в том числе и
твёрдого. Выделяющееся при горении топлива тепло, используется
наиболее полно, так как пневмомотор утеплён, расширение воздуха в
нём близко к адиабатному и происходит почти полностью ( до
атмосферного давления ), что увеличивает КПД и снижает шум при
выхлопе отработанных газов. Возможно применение теплового
аккумулятора, что сделает двигатель экологически чистым. Однако
нужно иметь в виду, что такой двигатель может работать только в
расчётном режиме. Уменьшение или увеличение температуры
воздуха за теплообменником ведёт к уменьшению КПД. Если же
жёсткую связь между компрессором и пневмомотором удастся
заменить гибкой, то и этот недостаток можно будет устранить.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДРПМ
На рис.11 изображён двухтактный ДВУХРОТОРНО-
ПОРШНЕВОЙ двигатель внутреннего сгорания. Топливно-
воздушная смесь из карбюратора поступает в рабочую полость
через впускное окно, сжимается и зажигается искровой или
калильной свечой. Продукты сгорания расширяются, выполняя
механическую работу. Открывается выпускное окно, и выхлопные
газы выбрасываются в атмосферу. Открывается впускное окно, и
новая порция топливно-воздушной смеси, вытесняя остатки
отработанных газов, заполняет рабочую полость. Оба окна
закрываются, топливно-воздушная смесь сжимается, зажигается и
рабочий цикл повторяется. Заполнение рабочей полости топливно-
воздушной смесью происходит принудительно во время уменьшения
её объёма нагнетателем, прогоняющим воздух через карбюратор. За
один оборот двигателя происходит два рабочих цикла.
На рис.12 изображён двухтактный ДВС с циклом "DIESEL".
Благодаря использованию четырёхтактного ДРПМ воспламенение
от сжатия происходит одновременно в двух противоположных
рабочих полостях при впрыскивании в них топлива. Давления в
противоположных полостях уравновешены. За один оборот двигателя
происходит восемь рабочих циклов.
На рис.13 изображён четырёхтактный карбюраторный
ДВУХРОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ двигатель с принудительным
воспламенением сжатой топливно-воздушной смеси. Как и в
двигателе WANKEL, в нём отсутствует механизм
газораспределения, форма же камеры сгорания более благоприятная,
с меньшими тепловыми потерями. Исключено попадание топливно-
воздушной смеси из впускного канала в выпускной ( продувка ), что
экономит топливо. В каждой из четырёх, попеременно сжимающихся
и расширяющихся полостях, последовательно осуществляются
процессы впуска топливно-воздушной смеси, сжатия заряда,
зажигания его, расширения продуктов сгорания и выпуска их. За
один оборот двигателя происходит четыре рабочих цикла.
На рис.14 изображён ДВУХРОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ
двигатель с циклом " DIESEL ". В рабочую полость из атмосферы
через фильтр и впускное окно всасывается воздух, который
сжимается до высокого давления и при этом очень сильно
разогревается. Впрыснутое через форсунку в камеру сгорания,
топливо самовоспламеняется. Горение топливно-воздушной смеси
продолжается в процессе расширения, благодаря чему двигатель
работает более мягко, без ударов, с высоким КПД, на дешевом и
менее опасном в пожарном отношении топливе. Токсичность
выхлопа двигателя значительно ниже, чем у карбюраторных
двигателей. Недостаток двигателя - вынужденное повышение его веса.
Запустите exe-файл, чтобы посмотреть механизм в действии
Часть II:
Подробное описание и рассчеты.
В качестве редуктора, задающего роторам нужный закон движения,
описывается редуктор с эллиптическими зубчатыми шестернями.
где D, d и В - параметры кольцевой полости, а a - угол поршня
В четырёхтактном двухроторно-поршневом насосе :
Для определения объёма газа или жидкости, прокачиваемого за один
оборот насоса, нужно учесть, что у двухтактного двухроторно-
поршневого насоса за один оборот происходит два цикла
всасывание - нагнетание, а у четырёхтактного - четыре, поэтому
результат, полученный с применением предлагаемых выше формул,
нужно умножить соответственно на 2 и на 4. Для определения
объёмов газа или жидкости, прокачиваемых насосом за
определённый отрезок времени, нужно умножить
производительность насоса за один оборот на количество оборотов,
которые он за это время успеет совершить.
В КОНСТРУКТИВНОМ ИСПОЛНЕНИИ двухтактных
двухроторно-поршневых насосов возможны следующие варианты :
- поршни соединены с роторами, а внешний цилиндр и стенки
неподвижны;
- одна стенка и цилиндр неподвижны, один поршень соединён с
ротором, а другой поршень соединён со стенкой, присоединённой к
другому ротору ;
- стенки неподвижны, к одному ротору присоединены внешний
цилиндр и соединённый с ним поршень, а второй поршень соединён
с другим ротором;
-поршни присоединены к разным стенкам, а уже они соединены
каждая со своим ротором, неподвижен только цилиндр.
В КОНСТРУКТИВНОМ ИСПОЛНЕНИИ четырёхтактных
двухроторно-поршневых насосов возможны такие же варианты, как
и в двухтактных, только количество поршней удваивается.
Двухроторно-поршневые насосы могут работать без смазки, если
между стенками кольцевой полости и поршнями имеется
гарантированный зазор. Применение смазки при перекачке газа
уменьшает перетекание газа через зазоры, но появляется вязкостное
трение и сопротивление растёт. Наилучший результат будет получен
при удачном подборе материалов. Соприкасающиеся поверхности
должны легко притираться друг к другу без задиров. Хорошо
сочетаются такие материалы : чугун с твёрдой полированной сталью,
мягкая сталь с твёрдой полированной сталью, бронза с твёрдой
полированной сталью, алюминий с твёрдой полированной сталью,
текстолит с твёрдой полированной сталью и другие. Положительный
результат даёт также специальное покрытие соприкасающихся
поверхностей, например кадмирование, которое улучшает
притираемость поверхностей, а также защищает их от коррозии.
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОТОРЫ
( двухроторно-поршневые )
Если в двухтактный двухроторно-поршневой насос, описанный
выше, подать под давлением газ или жидкость, при том, независимо
в какое из двух окон, то он будет вращаться, но для страгивания с
места вал насоса нужно будет провернуть в нужном направлении.
Чтобы получить вращение в другую сторону, достаточно давление
газа или жидкости подвести к другому окну. Первоначальное
проворачивание такого мотора необходимо, так как некоторое время
в цикле окна перекрыты поршнями и газ или жидкость под
давлением просто не будут поступать в кольцевую полость.
Применение двух или трёх цилиндрового пневмо или гидромотора
(рис.7 ) позволит запускать его при любом положении поршней, так
как всегда в каком-то из цилиндров впускное окно обязательно
открыто и газ или жидкость под давлением начинает прокручивать
мотор, окно открывается в следующем цилиндре и так далее.
Пневмомотор с двухроторно-поршневым механизмом будет
экономичнее, если выпускное окно сделать как можно шире, а
впускное - как можно уже, причём, чем больше давление газа на
входе, тем уже должно быть входное окно и в идеале нужно
стремиться к тому, чтобы газ выходил из выпускного окна с
возможно меньшим давлением, т. е. происходило полное расширение
газа внутри пневмомотора. Методика расчёта размеров окон будет
приведена ниже.
Пневмо и гидромоторы с четырёхтактным двухроторно-
поршневым механизмом выгодно отличаются от двухтактных
уравновешенностью масс и давлений внутри мотора, благодаря чему
они могут быть более скоростными. У них два впускных окна и
два выпускных, поэтому количество подводящих каналов
удваивается. Это усложняет конструкцию, но не намного.
Расчёт характеристик пневмо и гидромоторов приводится ниже.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
1. ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Паровой двигатель с двухроторно-поршневым механизмом может
быть выполнен по обычной схеме : вода доводится до кипения в
котле, пар под высоким давлением поступает во входное окно
двухтактного ДПРМ или в два входных окна четырёхтактного
ДПРМ. Энергия пара превращается в механическую энергию, а
конденсат воды возвращается назад в котёл. В отличие от
классического поршневого парового двигателя с кривошипно-
шатунным механизмом отсутствует золотниковое распределение
пара. При удачном выборе размера входного окна, КПД повышается.
Паровой двигатель с ДРПМ может быть выполнен и по
другой схеме : стенки кольцевой камеры ДРПМ разогреваются
горелкой, вода при температуре близкой к температуре кипения
впрыскивается в рабочую полость, где, соприкасаясь с нагретыми
поверхностями, быстро испаряется и, образовавшийся при этом, пар
приводит ДРПМ во вращение. Повышение КПД ожидается за счёт
того, что пар при расширении продолжает интенсивно
подогреваться. Отработанный пар, став конденсатом воды, снова
впрыскивается в рабочую полость. Кроме воды возможно
использование легкокипящих жидкостей или жидкостей, не
вызывающих коррозии деталей двигателя.
2. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Известный двигатель STIRLING, в котором в качестве рабочего
тела используется гелий ( водород ) под очень высоким давлением
(до 200 кг/см ), работает по такому принципу: при расширении газ
подогревается через стенки головки рабочего цилиндра внешним
источником тепловой энергии, а при сжатии газа лишняя тепловая
энергия от него отводится через стенки рабочей камеры в
холодильник. Газ перегоняется из сжимающейся полости в
расширяющуюся через специальный регенератор и благодаря
последнему КПД двигателя возрастает.
На рис.8 изображён двигатель с внешним подводом тепловой
энергии с ДРПМ. Тепловая энергия к рабочему телу ( гелий или
водород под высоким давлением ) подводится через стенки
кольцевой полости от внешнего источника тепловой энергии в том
месте, где объём рабочей полости увеличивается. Холодильник же
интенсивно отводит тепловую энергию от той порции газа, которая
находится в сжимающейся рабочей полости. Для того, чтобы
теплообмен протекал достаточно быстро, поверхность
соприкосновения рабочего тела со стенками, подводящими к нему
тепловую энергию, или, отводящими от него тепловую энергию,
должна быть максимально возможной, а слой рабочего тела -
минимальным. Возможно пропускание носителей тепловой энергии -
расплавленных лёгких металлов ( натрий, литий ) по специальным
каналам, расположенным в стенках кольцевой полости, что позволяет
применить аккумулятор тепловой энергии. На рис.9 изображён
обратный цикл, когда при принудительном вращении ДРПМ и
интенсивном отводе тепла из зон сжатия, происходит сильное
охлаждение в зонах расширения, что применимо в холодильных
агрегатах.
Внешний подвод энергии ( отвод её ) в двигателях с ДРПМ в
двухтактном исполнении происходит на одном участке кольцевой
полости, а в четырёхтактном исполнении - на двух участках.
На рис.10 изображён двигатель внешнего сгорания с двумя
ДРПМ, имеющими общий привод. Очищенный в фильтре
атмосферный воздух сжимается в первом ДРПМ, выступающим в
данном случае в роли компрессора. Он может быть как
двухтактным, так и четырёхтактным ( с двумя всасывающими
входами и двумя нагнетающими выходами ). Выделяющееся при
сжатии воздуха тепло может отводиться в атмосферу через
оребрение ДРПМ или радиатор водяного охлаждения, тогда
процесс сжатия воздуха будет экономичнее. Сжатый воздух от
компрессора поступает в теплообменник. Проходя по каналам
теплообменника, расположенного в камере сгорания, воздух сильно
нагревается. При высокой температуре и неизменном давлении
объём воздуха увеличивается. Из теплообменника воздух поступает в
другой ДРПМ, который, по сути, является пневмомотором и
преобразует энергию сжатого воздуха в механическую работу. Как и
компрессор, он может быть двухтактным или четырёхтактным ( с
двумя входами и двумя выходами ). Объём рабочей полости в
двухтактном пневмомоторе ( суммарный объём рабочих полостей в
четырёхтактном пневмомоторе ) должен быть увеличен по сравнению
с объёмом компрессора настолько, насколько увеличивается объём
воздуха после его разогрева в теплообменнике. Тогда на выходе из
него воздух будет иметь давление близкое к атмосферному.
Температура же воздуха на выходе из пневмомотора ещё довольно
высока и, поступая в камеру сгорания, он хорошо поддерживает
горение топлива в ней. Сильно разогретые продукты сгорания
топлива отдают часть своей энергии новым порциям воздуха,
перекачиваемым по теплообменнику от компрессора к
пневмомотору. Остатки тепла могут быть использованы для
подогрева топлива, а также для обогрева помещений или салона
транспортного средства. Продукты сгорания, а с ними и часть тепла
выбрасываются в атмосферу. Так как горение топлива в камере
сгорания происходит в оптимальных условиях при избытке
кислорода, то выброс токсичных веществ в атмосферу минимален.
Допустимо использование дешёвого топлива, в том числе и
твёрдого. Выделяющееся при горении топлива тепло, используется
наиболее полно, так как пневмомотор утеплён, расширение воздуха в
нём близко к адиабатному и происходит почти полностью ( до
атмосферного давления ), что увеличивает КПД и снижает шум при
выхлопе отработанных газов. Возможно применение теплового
аккумулятора, что сделает двигатель экологически чистым. Однако
нужно иметь в виду, что такой двигатель может работать только в
расчётном режиме. Уменьшение или увеличение температуры
воздуха за теплообменником ведёт к уменьшению КПД. Если же
жёсткую связь между компрессором и пневмомотором удастся
заменить гибкой, то и этот недостаток можно будет устранить.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДРПМ
На рис.11 изображён двухтактный ДВУХРОТОРНО-
ПОРШНЕВОЙ двигатель внутреннего сгорания. Топливно-
воздушная смесь из карбюратора поступает в рабочую полость
через впускное окно, сжимается и зажигается искровой или
калильной свечой. Продукты сгорания расширяются, выполняя
механическую работу. Открывается выпускное окно, и выхлопные
газы выбрасываются в атмосферу. Открывается впускное окно, и
новая порция топливно-воздушной смеси, вытесняя остатки
отработанных газов, заполняет рабочую полость. Оба окна
закрываются, топливно-воздушная смесь сжимается, зажигается и
рабочий цикл повторяется. Заполнение рабочей полости топливно-
воздушной смесью происходит принудительно во время уменьшения
её объёма нагнетателем, прогоняющим воздух через карбюратор. За
один оборот двигателя происходит два рабочих цикла.
На рис.12 изображён двухтактный ДВС с циклом "DIESEL".
Благодаря использованию четырёхтактного ДРПМ воспламенение
от сжатия происходит одновременно в двух противоположных
рабочих полостях при впрыскивании в них топлива. Давления в
противоположных полостях уравновешены. За один оборот двигателя
происходит восемь рабочих циклов.
На рис.13 изображён четырёхтактный карбюраторный
ДВУХРОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ двигатель с принудительным
воспламенением сжатой топливно-воздушной смеси. Как и в
двигателе WANKEL, в нём отсутствует механизм
газораспределения, форма же камеры сгорания более благоприятная,
с меньшими тепловыми потерями. Исключено попадание топливно-
воздушной смеси из впускного канала в выпускной ( продувка ), что
экономит топливо. В каждой из четырёх, попеременно сжимающихся
и расширяющихся полостях, последовательно осуществляются
процессы впуска топливно-воздушной смеси, сжатия заряда,
зажигания его, расширения продуктов сгорания и выпуска их. За
один оборот двигателя происходит четыре рабочих цикла.
На рис.14 изображён ДВУХРОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ
двигатель с циклом " DIESEL ". В рабочую полость из атмосферы
через фильтр и впускное окно всасывается воздух, который
сжимается до высокого давления и при этом очень сильно
разогревается. Впрыснутое через форсунку в камеру сгорания,
топливо самовоспламеняется. Горение топливно-воздушной смеси
продолжается в процессе расширения, благодаря чему двигатель
работает более мягко, без ударов, с высоким КПД, на дешевом и
менее опасном в пожарном отношении топливе. Токсичность
выхлопа двигателя значительно ниже, чем у карбюраторных
двигателей. Недостаток двигателя - вынужденное повышение его веса.
Запустите exe-файл, чтобы посмотреть механизм в действии
Часть II:
Подробное описание и рассчеты.
В качестве редуктора, задающего роторам нужный закон движения,
описывается редуктор с эллиптическими зубчатыми шестернями.