Оптимизация
ДВС


Сравнение поршневого ДВС, РПД Ванкеля и рото-мотора. Этапы 8 - 11

 

8 этап.

Процессы впуска и сжатия в секции рото-мотора

 
Рассмотрим секцию рото-мотора с пятигранным ротором. Будем считать, что уплотнение закруглённого профиля вершин ротора в некоторых секторах статора по ходу ротора такое же надёжное, как и уплотнение плоскостей ротора. То есть считаем, что утечки газа через кромки вершин ротора существенно не влияют на результаты расчётов.
 
В каждой секции рото-мотора с пятигранным ротором в процессе сжатия её рабочего цикла может участвовать масса рабочего тела, которая изначально превосходит объём газа, который из-за пределов рабочей полости при атмосферных условиях физически может эжекторно затянуть через впускное окно в полость сжатия одна грань А ротора между вершинами а и b (фиг.69а и 69б), и который мы примем равным 1 (патент РФ № 2338903 от 03.05.2007 г.). Поэтому изначальному сжатию одновременно двумя гранями ротора А и В в профиле между вершинами а и с подвергается объём газа, равный 0,93 +0,07 + 0,93 = 1,93 единиц объёма, с учетом объёма холодного канала перепуска f полости сжатия величиной 0,07 единиц объёма (фиг.69в).
 
 
 
К моменту достижения минимума объёма полости над гранью А в профиле между вершинами а и b, объём газа над гранями А и В в профиле между вершинами а и с составил 0,14 + 0,07 + 0,44 = 0,65 единиц объёма (фиг.69г). Таким образом, степень сжатия газа над ними составила 1,93 : 0,65 = 2,97. Над гранью А под этой степенью сжатия находится газ, который при атмосферном давлении и температуре занимал бы объём (0,14 + 0, 07) х 2,97 = 0,62 единиц объёма, а газ, находящийся в это время над гранью В, при атмосферных условиях занимал бы объём 0,44 х 2,97 = 1,31 единиц объёма.
В дальнейшем сжатии над гранью В участвует газ, по объёму в 1,31 раза превышающий максимально возможный объём над одной гранью ротора, равный 1.
Продолжение сжатия этого газа от степени сжатия 2,97 над гранью В до минимального объёма, заключенного в профиле между вершинами b и с, приводит к уменьшению этого объёма до 0,14, в котором газ находится под степенью сжатия 1,31 : 0,14 = 9,36 (фиг.69д). Над гранью А в это время газ находится под степенью сжатия 0,62 : (0,44 + 0,07) = 1,22.
 
 
По отношению к объёму 0,93 единиц объёма над гранью А (фиг.69б), которого реально можно достичь над одной гранью ротора в секции рото-мотора перед самым началом процесса сжатия, объём газа в камере сгорания превышает его в 1,31 : 0,93 = 1,41 раза.
То есть около 40% рабочего тела, вошедшего в полость сжатия над гранью А, уже через 108 градусов поворота силового вала секции рото-мотора попадает в минимальный объём камеры сгорания над гранью В под степень сжатия в 9,36 единиц (фиг.69д). И если днище поршня в секции ПД за счёт большей скорости своего перемещения по сравнению со скоростью перемещения грани трёхгранного ротора в секции РПД после начала впуска быстрее подаёт свежий заряд в камеру сгорания поршневой секции (за 360 градусов оборота вала), чем в роторно-поршневой секции (за 540 градусов поворота вала), то в рото-секции это выполняется ещё быстрее.
Таким образом, в рото-секции рабочее тело имеет наименьшие шансы потерять значительную часть теплоты сжатия до момента начала подвода к ней теплоты сжигания топлива в камере сгорания, повышая надёжность испарения распыленного в заряде горючей смеси жидкого топлива и начала процесса зажигания.
 

9 этап.

Особенности локализации заряда рабочего тела в рабочей полости секции рото-мотора

 
При расчёте объёма рабочего тела в камере сгорания секции рото-мотора, к которому в процессе сжигания горючей смеси подводится исходное количество теплоты, по сравнению с механизмом роторной секции, содержащим эксцентриковый вал, следует учитывать следующие особенности рото-мотора.
 
В реальной секции рото-мотора подпружиненные уплотнения вершин (апексы) ротора отсутствуют. Но в ней никуда не деваются известные из РПД Ванкеля очень простые по своей конструкции подпружиненные уплотнения плоскостей ротора и статора в роторной секции. А они, наряду с подпружиненными круговыми кольцами поршня в поршневой секции, по-прежнему остаются самыми надёжными подвижными уплотнениями из всех известных.
При этом геометрия профилей ротора и статора рото-секции позволяет при движении ротора создавать секторы слияния их профилей, тем самым, создавая зоны повышенного сопротивления против утечки газа из пространства над гранью ротора. В этих секторах также создаются ограниченно протяжённые и зауженные вдоль секторов грани ротора и статора объёмы, в которых временно локализуются небольшие транзитные объёмы газа под повышенным давлением.
 
Следующим приёмом локализации утечек является предельное уменьшение высоты призмы ротора и, соответственно, рабочей полости статора рото-секции, основанное на уникальных свойствах механизма рото-мотора. А также и изначально заложенного принципа построения рото-мотора, в котором доминирует стремление создать мотор с предельно минимальным объёмом одиночного заряда рабочего тела при возможной максимальности рычага вращения ротора и силового вала устройства, а также максимально большим количеством тактов рабочего хода нескольких зарядов рабочего тела одной рото-секции за один оборот вала.
В третьей эмпирической формуле расчёта оптимальных габаритов роторной секции, (смотри главу «Камера сгорания») для величины высоты призмы ротора h = e (n + a) эти свойства рото-мотора позволяют вывести значение осевого габаритного регулировочного числа а в отрицательную зону. От общей длины линии кромки утечки над одной гранью ротора, равной 100%, это позволяет длине линии кромки утечки через обе вершины этой грани уменьшиться, примерно до 14 – 24 %, то есть до линии утечки на одну вершину ротора в 7 – 12% (меньшая цифра 7% – для больших эксцентриситетов и объёмов рабочей полости). 
 
В рото-секции также используются свойства механизма рото-мотора, обеспечивающего существенно ускоренную подачу заряда рабочего тела в камеру сгорания и опережающую скорость движения порций газа по ходу ротора по сравнению со скоростью движения граней ротора, которая при одинаковой скорости вращения вала в несколько раз и так превосходит скорость движения грани ротора в секции РПД Ванкеля и днища поршня в поршневой секции.
В секции рото-мотора относительно коренной оси вала ротором воспроизводится вихревое движение масс нескольких локальных зарядов газообразного рабочего тела, отдельные части которых по ходу ротора через выемки периферийных газовых каналов статора в вихре тангенциально ускоренно перетекают в сопряжённые объёмы рабочей полости опережающих граней ротора, как в полости сжатия, так и в полости расширения. Таким образом, заряды рабочего тела в рото-секции при постоянно одной направленности своего движения имеют существенно повышенную кинетическую энергию, которая собой инициирует заряд газа сохранять свою совокупную инерционную массу, прежде всего при утечках против хода ротора.
 
При этом в рото-секции применяется и компенсирующая схема построения полости сжатия, выраженная в буферизации заряда. То есть когда в полости сжатия потери части рабочего тела впередиидущего по ходу ротора заряда, вытекающие в предыдущую по ходу ротора буферную полость, при этом безвозвратно не теряются в открытой атмосфере (как в РПД) или в масляном картере (как в ПД). При следующем движении ротора эта вернувшаяся в буфер часть газа вновь возвращается в сектор статора свечи зажигания в совокупности с очередным зарядом над последующей гранью ротора.
Похожесть и отличие цикла, происходящего в секции рото-мотора, по сравнению с циклом, исполняемым в рабочей полости секции РПД Ванкеля, заключается в следующем. В рото-секции, как и в секции РПД, четыре известных такта текущего цикла заряда также исполняются над поверхностью только одной текущей грани пятигранного ротора. Однако на неё свежий заряд рабочего тела подаётся не из атмосферы, окружающей двигатель, как в РПД, а из объёма внутренней холодной буферной полости рото-секции, в том числе и, под дополнительным сжимающим воздействием предыдущей грани данного ротора. И после рабочего расширения над этой гранью заряд не сразу выталкивается ей в атмосферу, как в РПД, но во внутренней горячей буферной полости секции РМ он последовательно подаётся в объём над впередиидущей гранью этого же ротора, на перемещение которой расширяющийся нагретый текущий заряд продолжает расходовать ещё оставшийся в нём рабочий потенциал.
 
Длина воображаемого эксцентриситета е секции рото-мотора по-прежнему определяет габариты конструкции и исходную массу рабочего тела в камере сгорания. По условиям задачи сравнения эта масса должна быть одинаковой с массой рабочего тела в камерах сгорания сравниваемых с ним механизмов ПД и РПД. Для этих условий длина эксцентриситета роторной секцией пятигранного ротора равна 0,826 от длины эксцентриситета секции РПД Ванкеля и 0,286 – от длины эксцентриситета поршневой секции (смотрите главу «Вращающий момент»).
 

10 этап.

Процесс рабочего хода в секции рото-мотора

 
В минимальном объёме сжатия над гранью В (фиг.69е) от искрового импульса свечи происходит зажигание газовой горючей смеси заряда рабочего тела. Грань В испытывает на себе давление нагревающегося газа с исходным результирующим усилием Р, воздействующим на центральную часть грани ротора. Здесь и далее в фазах перемещения ротора, в зависимости от конкретного угла поворота воображаемого эксцентриситета е, величины длины линии вектора исходного усилия Р расширяющегося нагретого газа взяты в масштабе также по текущему значению этого усилия, определяемого из графика трактрисы для секции рото-мотора на фиг.62.
 

 

Ротор секции рото-мотора, в качестве единственного промежуточного элемента конструкции находящийся между зарядом нагретого рабочего тела и силовым валом, является частью силовой цевочной муфты, которая, как и любая механическая муфта, передаёт принятый с одного вала (ротора) на параллельный ему другой вал (ротор) момент силы без изменения направления и угловой скорости их вращения, а также, практически, без существенного уменьшения величины исходного вращающего момента. Предел этого уменьшения определяется известным механическим коэффициентом полезного действия цевочной муфты, равным, в среднем примерно, 95%. Так как ротор, внутренний диск которого является частью цевочной муфты и без участия прочих посредников через силовой роликовый подшипник качения этой муфты передаёт на диск силового вала несущественно заниженный момент МРМ ротора от исходной силы Р, то, независимо от длины рычага l диска силового вала, также входящего в состав цевочной муфты, примерно, 95% от величины исходного момента МРМ ротора ротора и будут передаваться моментом МРМ вала силового вала рото-мотора на вал стороннего потребителя. То есть каждое текущее значение МРМ вала = 0,95 МРМ ротора.
Поэтому для получения характеристики вращающего момента силового вала секции рото-мотора МРМ вала необходимо будет проанализировать динамику изменения на роторе, во-первых, величины доступного усилия Р (фиг.62), которое в данном механизме по своей полной абсолютной величине одновременно является и усилием, вращающим ротор, то есть Р = Тротора секции РМ в диапазоне работы полости первой ступени расширения секции рото-мотора, в частности с пятигранным ротором, от 0 до 157,6 градусов поворота воображаемого эксцентриситета е.
Вторым составляющим математическим параметром в правой части формулы силового момента МРМ ротора = РL для рото-секции является длина силового рычага ротора L, на которую в профиле механизма секции от точки опоры этого рычага на каком-то конкретном элементе этого механизма пространственно отстоит центральная точка приложения результирующего усилия Р на конкретную грань ротора, находящуюся в полости расширения секции.
 
В любом механизме важнейшим фактором является выбор пространственного расположения точек опоры рычагов этого механизма. На это особо указывал ещё Архимед.
В механизме секции рото-мотора отсутствует самый главный тормоз известных механизмов объёмного вытеснения – силовой эксцентрик вала с неизменной точкой опоры его эксцентриситета е в профиле механизма на коренной оси вала. Под действием внешней силы Р сама конструкция эксцентрика непрерывно генерирует собой в механизме двигателя силы сопротивления его же собственному пространственному перемещению, на преодоление которых нагретый заряд рабочего тела вынужден затрачивать силу N, никогда не производящую работу вращения вала и неизменно направленную вдоль линии эксцентриситета, проходящей через коренную ось вала.    
 
Кинематическая схема механизма секции рото-мотора специально выстроена таким образом, чтобы точка опоры рычага ротора, принимающего результирующее исходное усилие Р нагретого заряда рабочего тела, располагалась не на валу, а на статоре, точнее на внутренней плоскости статорного фланца. И, при этом, в профиле секции она не находится в постоянно зафиксированной точке пространства, как у силового эксцентриситета, но непрерывно перемещается вместе с ротором по линии окружности (с центром на оси статора), на которой лежат оси опорных цевок программного звена статора. Эта окружность с радиусом, по величине равном (в частности, для рото-секции с пятигранным ротором, – для секции с семигранным ротором и т.д.), является одним из определяющих программных геометрических параметров при выстраивании пространственного профиля статора механизма секции рото-мотора (фиг.70).
 
 
В конкретной фазе поворота воображаемого эксцентриситета е и ротора, текущая точка опоры рычага ротора в профиле механизма определяется точкой пересечения продолженной линии эксцентриситета е с проходящими через оси опорных цевок линиями точек опоры внутреннего профиля гипоциклоиды диска ротора на каждый из роликов опорных цевок статора, которые в текущей точке опоры рычага ротора для опорных цевок, установленных на одной оси симметрии статора, попарно всегда взаимно перпендикулярны друг другу (фиг.71а и 71б).
 
 
Если в конкретный момент времени сразу несколько граней ротора, находящихся в полости расширения, воспринимают на себя активное механическое усилие нагретого заряда рабочего тела, например, Р1 и Р2, то результирующее усилие Р1+2 ротора определяется по известному правилу их сложения в параллелограмме сил (фиг.71б). Именно результирующее усилие Р1+2 и вращает перпендикулярный линии её вектора консолидированный рычаг ротора L1+2, с текущей длиной, относительно текущей точки опоры, лежащей на линии окружности статора с радиусом .
 
При этом в последствии необходимо будет учитывать, что в момент подключения к работе второй ступени расширения посредством открытия вершиной с ротора горячего канала перепуска g статора в полости расширения рото-секции происходит увеличение в два раза площади поверхности граней ротора, на которую воздействует горячий газ заряда рабочего тела, до этого момента преимущественно находивший только над одной гранью В. В связи с этим величина текущего значения усилия Р на каждую из граней ротора В и С, по сравнению с предыдущим значением (по фиг.62), неминуемо снизится также в два раза. Но при этом любое текущее результирующее усилие Р1+2 будет выше текущих значений каждого их одиночных усилий Р1 и Р2, но ниже текущего значения исходного усилия Р (фиг.74).  
 
Фазы последовательного перемещения ротора во время рабочего хода в полости расширения в секции рото-мотора выборочно показаны на фиг. 72а – 72е.
 
 
 

11 этап.

Графики параметров рабочего хода в секции рото-мотора

 
По фазам на фиг.72а–72е в зависимости от угла поворота Q2 воображаемого эксцентриситета е и угла поворота Q1 вала секции рото-мотора построены графики изменения силового рычага ротора – L, а также Р – результирующего и одновременно вращающего усилия нагретого заряда рабочего тела на грань (грани) ротора в полости расширения и М – момента силы ротора и вала рото-секции.
 
На фиг.73 в одном масштабе показаны графики изменения длин силовых рычагов L ротора для каждой из ступеней расширения L1 и L1+2 в зависимости от угла поворота Q2 воображаемого эксцентриситета е. Каждое текущее значение рычага L1 получено по фазам перемещения ротора по фиг. 72 а, б, в, как перпендикуляр, проведённый из текущей точки его опоры на линию вектора вращающего усилия Р1. Каждое текущее значение консолидированного рычага L1+2 получено по фазам перемещения ротора (по фиг.72 г, д, е), как перпендикуляры, проведённый из текущей точки его опоры на линию вектора вращающего усилия Р1+2, выведенной из параллелограмма сил двукратно уменьшенных усилии Р1 и Р2.
По сравнению с прямыми линиями графиков длин силовых рычагов поршневой LПД и роторно-поршневой LРПД секции, у которых ими являются эксцентриситеты эксцентриков валов секций этих механизмов, каждая из двух кривых линий изменения длин рычагов вращения ротора в секции рото-мотора по максимуму своей величины в 1,428 раза превосходит рычаг поршневой секции и в 4,128 раза – рычаг роторно-поршневой секции. Даже не смотря на то, что длина эксцентриситета рото-секции еРМ имеет меньшую длину по сравнению с длинами эксцентриситетов поршневой секции еПД и роторно-поршневой секции еРПД.
 
 
График зависимости вращающего усилия Р рото-секции в зависимости от угла поворота Q2 эксцентриситета е показан на фиг. 74. Текущая величина усилия Р1  до значения угла Q2 в 157,6 градусов полностью совпадает с текущей величиной исходного усилия Р, воздействующего на одну грань В ротора в полости расширения рото-секции (фиг. 72 а, б, в). Суммарно-объединённая сила Р1+2 получена посредством сложения в параллелограмме сил двукратно уменьшенных усилий:  Р1, действующего на грань В и Р2, действующего на грань С. Текущая сила Р1+2 меньше по величине текущей силы Р, но больше любой одиночной текущей силы Р2 и Р1, после открытия вершиной с горячего канала перепуска g.  
 
 
 
На фиг.74 площадь под составной кривой линией вращающих усилий двух ступеней расширения Р1 и Р1+2 представляет собой величину работы вращения ротора Аперемещения ротора секции РМ, которую способен совершить заряд рабочего тела в полости расширения секции рото-мотора за один полный оборот её эксцентриситета.
 
В секции рото-мотора принципиально отсутствует непроизводительная сила N, которая присутствует в механизмах эксцентрикового вала секций ПД и РПД.
 
По графику на фиг.74 в такте рабочего хода работа Аперемещения ротора секции РМ составляет 0, 952 от Едоступная 0-270 секции РМ   
Аперемещения ротора секции РМ = 0,952 . Едоступная 0-270 секции РМ  = 0,952 . 0,844 . Ерасполагаемая секции РМ  = 0,803 . Ерасполагаемая секции РМ.      
 
График на фиг.75 зависимости момента М от угла поворота Q2 воображаемого эксцентриситета е секции рото-мотора построен на основании умножения текущей величины вращающего ротор усилия Р по графику фиг.74 на текущую длину рычага вращения L ротора фиг. 73. На этом графике фиг.75 кривая линия изменения момента силы ротора показана двумя кривыми – для момента М1ротора, полученного от воздействия на одну грань В силы Р1 ( фиг. 72 а, б, в). А также момента М1+2 ротора, полученного от воздействия уменьшенной суммарно-объединённой силы Р1+2 (фиг. 72 г, д, е).
 
 
На графике фиг.76 изображена характеристика вращающего момента вала МРМ вала =  МРМ секции рото-мотора, в которой каждое текущее значение момента силы МРМ ротора на фиг.75 уменьшено на 5%.
 
 

 Далее: Этапы 12 - 14