СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК F02B53/02 F02B47/02 F02B41/04 

Предлагаемый способ работы теплового двигателя относится к двигателестроению, а именно к способу работы роторно-поршневых тепловых двигателей.

Известен, например, способ работы поршневых тепловых двигателей, в том числе роторно-поршневых (А.И.Колчин, В.П.Демидов. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей», Москва, Высшая школа, 2002, стр.13-16), осуществляемый по четырехтактному циклу.

Первый такт - наполнение (впуск) герметичной камеры переменного объема свежим зарядом протекает при увеличении объема вышеупомянутой герметичной камеры. В дизельном варианте исполнения теплового двигателя, свежий заряд состоит из воздуха, поступающего непосредственно из атмосферы через впускную систему. Свежий заряд двигателя с внешним смесеобразованием состоит из смеси уже распыленного топлива и воздуха. Эта смесь может быть приготовлена либо в карбюраторе, либо после впрыска топлива, во впускной системе.

Второй такт - сжатие протекает при уменьшении объема герметичной камеры, в которой имеется свежий заряд. Сжатие сопровождается повышением температуры и давления рабочей смеси в двигателе с внешним смесеобразованием, а в двигателе с внутренним смесеобразованием - сжатие воздуха, и рабочая смесь образуется при впрыскивании топлива непосредственно в камеру в конце такта сжатия, и при этом смесь самовоспламеняется. В двигателе с внешним смесеобразованием сжатая рабочая смесь также воспламеняется в конце такта сжатия, но от электрической искры высокого напряжения. Заключительный период такта сжатия характеризуется совместным протеканием сжатия и горения рабочей смеси.

Третий такт - расширение - рабочий ход. Первый этап такта расширения начинается совместно с активным продолжением процесса сгорания рабочей смеси при резком повышении давления в надпоршневой части цилиндра. Расширяющиеся в процессе сгорания газы перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т., совершая полезную работу - рабочий ход.

Четвертый такт - выпуск отработавших газов совершается под действием расширяющихся отработавших газов сначала свободное, а потом и принудительное вытеснение из цилиндра двигателя отработавших газов.

Однако недостатком данного способа работы теплового двигателя является выпуск отработавших газов, имеющих еще значительную тепловую энергию. Например, для бензинового двигателя выхлоп отработавших газов осуществляется при давлении 5-6 атм и температуре 900-1400°С, а для дизельного двигателя выхлоп отработавших газов осуществляется при давлении 4-5 атм и температуре 700-900°С (см. А.С.Енохин. «Справочник по физике и технике», Москва, Просвещение, 1983, стр.123-124).

Кроме этого приходится строить достаточно сложную систему охлаждения и тратить часть энергии двигателя на работу упомянутой системы.

Также недостатком данного способа является высокая токсичность выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу. «Основным источником загрязнения атмосферы в процессе эксплуатации двигателей являются продукты сгорания, в которых токсичными компонентами являются: оксид углерода, оксиды азота и углеводороды. ...один автомобильный двигатель в течение года выбрасывает в атмосферу примерно 600 кг оксида углерода и 40 кг оксидов азота.» (см. А.И.Колчин, В.П.Демидов. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей», Москва, Высшая школа, 2002, стр.85).

Указанные недостатки частично устраняются в способе работы теплового двигателя по патенту ФРГ 2429579 «Вода не омывает снаружи цилиндры, а впрыскивается в камеры сгорания. Часть тепла расходуется на образование и расширение пара. Средняя температура среды в цилиндре снижается, а суммарная работа значительно увеличивается - обычно выбрасываемое через радиатор и выхлопную трубу тепло превращается в полезную работу» (см. журнал «Изобретатель и рационализатор», №3, 2002 г., стр.15).

Также указанные недостатки частично устраняются в способе работы теплового двигателя по идее В.Ю.Семенова. «По проекту В.Ю.Семенова предлагается четыре такта сохранить, зато систему охлаждения убрать. Детали камеры сгорания нагреются. В пятом - новом - такте всасывающий и выхлопной клапаны закрыты, а через форсунки, направленные на самые горячие места, впрыскивается вода. Она испаряется, пар расширяется и совершает работу за счет тепла, накопленного в предыдущем цикле. Детали камеры сгорания охлаждаются. В этом процессе экономится не менее 80% тепла, обычно бесполезного, вернее вредного для природы выбрасываемого в атмосферу через систему охлаждения. При конструктивном упрощении двигателя система впрыска и дополнительные детали в механизме газораспределения проще современной системы охлаждения» (см. журнал «Изобретатель и рационализатор», №11, 2005 г., стр.32). Данный способ принят за прототип.

Существенным недостатком прототипа является то, что впрыск воды производится после выхлопа сгоревшего топлива, что загрязняет атмосферу и, вместе с тем, не позволяет использовать тепловую энергию этих выхлопных газов.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемом способе работы теплового двигателя. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в максимальном использовании тепловой энергии выхлопных газов двигателя, повышении его кпд и снижении токсичности выхлопных газов.

Результат достигается тем, что способ работы роторного теплового двигателя, имеющего герметичные камеры переменного объема и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включающий четыре такта двигателя внутреннего сгорания, плюс такт впрыска в камеру рабочего хода - камеру сгорания, воды, отличающийся тем, что впрыск воды производят после завершения процесса горения топливной смеси до окончания рабочего хода от сгоревшего топлива и удлиняют рабочий ход за счет того, что исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, перемещают на увеличенное расстояние, чем при осуществлении такта сжатия.

Впрыск воды в камеру сгорания - камеру рабочего хода, где находятся сгоревшие газы со столь высокой температурой (параметры температуры и давления приведены выше), приводит к ее быстрому (практически мгновенному) испарению и, за счет образованного водяного пара, снова повышению давления в камере сгорания, под действием которого подвижный исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, продолжает выполнять полезную работу, для чего исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, перемещают на большее расстояние, чем при осуществлении такта сжатия, до достижения наиболее низких термодинамических параметров парогазовой смеси. Например, температуры, 100-200°С и давления 1-3 атм. Практически в такте впрыска воды и расширения пара тепловой двигатель работает как паровая машина. Переменный объем камеры рабочего хода двигателя выполняется большим, чем переменный объем камеры сжатия. За счет удлинения рабочего хода, рабочий ход складывается из рабочего хода за счет расширения сгоревшей топливовоздушной смеси и за счет водяного пара (при впрыске воды), использующего остаточное тепло сгоревших газов.

Таким образом, наиболее полно используют для полезной работы тепло отработанных сгоревших газов, которые в классическом двигателе внутреннего сгорания выбрасываются в атмосферу.

Для наиболее полного использования тепловой энергии сгоревших газов в разных режимах работы двигателя, количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от температуры и давления газов в момент впрыска воды. То есть при меньших параметрах температуры и давления газов в камере сгорания от теоретически расчетных значений соответственно необходимо и малое поступление впрыскиваемой воды, иначе не вся впрыскиваемая вода будет преобразовываться в пар. При больших термодинамических параметрах газов необходимо впрыскивать и большее количество воды, то есть будет образовываться большее количество пара, и использование тепловой энергии сгоревших газов будет наиболее полным, что в целом увеличивает кпд двигателя и снижает токсичность выхлопа.

Для улучшения испаряемости впрыскиваемой воды впрыск осуществляют после предварительного подогрева воды за счет остаточного тепла двигателя, например, тепла выхлопа парогазовой смеси.

Для повторного использования воды, выхлоп производят в конденсатор, где пар конденсируется в воду, а газ выбрасывается в атмосферу. Далее производят очистку воды от примесей в фильтре, и воду снова впрыскивают в двигатель. При этом часть вредных примесей от не полностью сгоревшего топлива (например, частицы дыма) остаются в фильтре, и выхлоп данного способа работы теплового двигателя получается более экологически чистым.

Для увеличения мощности двигателя, может осуществляться наддув при впуске свежего заряда, соответственно при этом давление и температура сгоревших газов перед тактом впрыска воды могут быть увеличены по сравнению с вышеуказанными параметрами.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в наиболее полном использовании тепловой энергии топлива, повышении кпд двигателя и снижении токсичности выхлопа.

Предлагаемое устройство - тепловой двигатель относится к двигателестроению, а именно к роторным тепловым двигателям.

Известен, например, гибридный двигатель, описанный в журнале «Изобретатель и рационализатор», №3, 2002 г., стр.4. По данному описанию гибридный двигатель конструктивно состоит из двух роторных двигателей Ванкеля, один из которых является бензиновым, а другой паровым, кинематически связанных общим эксцентриковым валом, с которого снимается мощность двигателя. Выпускной патрубок бензинового двигателя соединен с впускным патрубком парового двигателя. Паровой двигатель оснащен форсункой для подачи воды в рабочую камеру. Гибридный двигатель также имеет водяной насос, конденсатор и фильтр для воды. Выхлопные газы из бензинового двигателя поступают через впускной патрубок парового двигателя, сжимаются и, когда попадают в рабочую камеру, туда через форсунку впрыскивается вода. Поскольку в рабочей камере находятся раскаленные газы, то вода, распыленная форсункой на мелкие капли, практически мгновенно испаряется и полученный пар, расширяясь, поворачивает ротор парового двигателя. Мощность бензинового и парового двигателей складываются, и таким образом общая мощность объединенного гибридного двигателя получается большей, чем просто бензинового двигателя.

Применение данной конструктивной схемы гибридного двигателя, в отличие от традиционного двигателя внутреннего сгорания, позволило повысить кпд за счет использования выхлопных газов, а также снизить вредные выбросы в атмосферу.

Однако недостатком данного двигателя является то, что он фактически состоит из двух двигателей, а сжатие выхлопных газов после бензинового двигателя и механизмы второго двигателя создают дополнительные потери мощности.

Известен также роторный двигатель (патент РФ №2253029 от 03.11.2003 г.), который принят за прототип, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один кулачковый выступ, выполняющий роль поршня, который имеет возможность контактировать с внутренней цилиндрической поверхностью статора, подвижные перегородки, выполненные с возможностью контакта с ротором, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, один из которых является основной камерой, причем предкамера расположена внутри ротора и имеет отверстие, а на поверхности статора выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, торцевой поверхностью ротора, где расположена предкамера, и переменными внутренними объемами статора.

Однако недостатками данного двигателя являются потери значительной части тепловой энергии при выхлопе еще достаточно горячих выхлопных газов и присутствие в выхлопе вредных, токсичных веществ.

Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемой схеме теплового роторного двигателя. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива, повышении кпд и в снижении вредных выбросов.

Результат достигается тем, что в роторном тепловом двигателе, содержащем статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один кулачковый выступ, выполняющий роль поршня, который имеет возможность контактировать с внутренней цилиндрической поверхностью статора, подвижные перегородки, выполненные с возможностью контакта с ротором, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, один из которых является основной камерой, причем предкамера расположена внутри ротора и имеет отверстие, а на поверхности статора выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, торцевой поверхностью ротора, где расположена предкамера, и переменными внутренними объемами статора.

В отличие от прототипа одна из перегородок расположена между впускным и выпускным отверстиями, а другая делит окружность цилиндра статора на две неравные части, причем меньшая часть прилегает к впускному отверстию, а в большей части цилиндра установлена форсунка для впрыска воды, кроме этого двигатель оборудован устройством для подачи воды, которое имеет с ротором связь, например, кинематическую.

Таким образом, за счет того, что вторая подвижная перегородка делит окружность цилиндра на две неравные части, а часть, которая прилегает к впускному отверстию, является меньшей, рабочая часть хода ротора за счет расширения сгоревших газов получается большей, чем в такте сжатия. И в момент, когда давление в рабочем объеме сгоревших газов достигает минимальной расчетной величины, используемой при выхлопе сгоревших газов традиционных двигателей (например, для бензинового двигателя 3-4 атм при температуре 900°С, а для варианта дизеля 5-6 атм при температуре 1200-1300°С), через форсунку происходит впрыск и распыление воды, которая мгновенно превращается в пар, соответственно в камере повышается давление, и завершение рабочего хода ротора происходит за счет энергии расширения образованного пара. То есть после впрыска воды двигатель работает как паровой двигатель.

Для снижения потребности теплового двигателя в воде двигатель снабжен конденсатором и фильтром очистки воды.

После открытия выпускного отверстия смесь сгоревших газов и пара попадает в конденсатор. Охлажденные и очищенные газы уходят в атмосферу, а сконденсированная вода попадает в фильтр и после очистки в фильтре от примесей, далее с помощью, например, насоса снова поступает в нужный момент в форсунку.

Для более полного использования тепловой энергии сгоревших газов на всех режимах работы двигателя устройство для подачи воды под давлением имеет связь с датчиками температуры и давления, установленными в камере сгорания, или с устройством для подачи топлива. То есть при помощи этой связи количество впрыскиваемой воды дозируется непосредственно в зависимости от температуры и давления газов в камере сгорания или, косвенно, в зависимости от количества топлива, поступающего в двигатель. То есть, при меньших параметрах температуры и давления газов в камере сгорания от теоретически расчетных значений соответственно необходимо и малое поступление впрыскиваемой воды, иначе не вся впрыскиваемая вода будет преобразовываться в пар. При больших термодинамических параметрах газов необходимо впрыскивать и большее количество воды, то есть будет образовываться большее количество пара. Или при малом поступлении топлива в двигатель упомянутая связь осуществляет соответственно и малое поступление впрыскиваемой воды, а при большем поступлении топлива в двигатель упомянутая связь осуществляет впрыск большего количества воды.

Для более полного использования тепловой энергии топлива и для улучшения парообразования на двигателе, на наиболее теплонапряженных частях, может быть смонтирован теплообменник для подогрева воды, поступающей в форсунку.

Для увеличения мощности двигателя, может быть осуществлен наддув при впуске свежего заряда. При этом соответственно давление и температура сгоревших газов перед тактом впрыска воды могут быть выше по сравнению с вышеуказанными параметрами.

Конструктивная схема предлагаемого роторного двигателя иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид двигателя с разрезом по Б-Б фиг.2.

На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1.

На фиг.3 изображен разрез по предкамере (разрез по В-В фиг.1).

На фиг.4 изображена общая схема двигателя, выполненного в соответствии со всеми пунктами формулы.

На фиг.5-10 изображена схема работы двигателя.

На фиг.5 показано положение кулачкового выступа при пересечении подвижной перегородки.

На фиг.6 показан для правой половины двигателя процесс впуска свежего заряда и момент сжатия.

На фиг.7 показано положение кулачкового выступа при пересечении второй подвижной перегородки, момент зажигания сжатой топливной смеси и ее сгорания в предкамере.

На фиг.8 показан для левой половины процесс рабочего хода за счет расширения сгоревших газов и процесс выпуска отработанных газов.

На фиг.9 показано для левой половины двигателя положение кулачкового выступа в момент впрыска в камеру рабочего хода воды, продолжение рабочего хода и продолжение процесса выпуска отработанных газов.

На фиг.10 показано для левой половины двигателя продолжение рабочего хода за счет расширения пара и продолжение процесса выпуска отработанных газов.

Предлагаемый двигатель включает в себя статор 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде кругового цилиндра, герметично закрытого с торцов. Внутри статора 1 размещен ротор 2, выполненный с профилированной кулачковой поверхностью, например, с одним кулачковым выступом 3, выполняющим роль поршня, который имеет возможность скользить по внутренней цилиндрической поверхности статора 1, образуя герметичное подвижное соединение. Статор выполнен с полостью 4, которая примыкает к его наиболее теплонапряженной части. В полости 4 циркулирует охлаждающая жидкость, например, вода. Радиально к цилиндрической поверхности статора 1 установлены две подвижные перегородки 5 и 6, которые постоянно контактируют с кулачковым выступом 3 ротора 2 (в том числе при его вращении) с помощью пружин 7 и образуют с поверхностью ротора 2 подвижное герметичное соединение. Причем, между перегородкой 5 и перегородкой 6, по часовой стрелке, образуется угол меньше 180°. Торцевые поверхности статора 1 и торцевые поверхности ротора 2 образуют также подвижные герметичные соединения. Подвижные перегородки 5 и 6 и кулачковый выступ 3 ротора 2, при его вращении, отсекают переменные внутренние объемы статора - переменные объемы камер 16, 17, 18 и 19 статора 1 (см. фиг.1, 5, 6, 7, 8, 9, 10). Ротор 2 вращается по часовой стрелке. По обе стороны от подвижной перегородки 5, вблизи нее, в статоре 1, выполнены два отверстия 8 и 9. Отверстие 8 - впускное и служит для подвода топливной смеси (или наружного воздуха). Отверстие 9 - выпускное и служит для выпуска отработанных газов. Внутри ротора 2, вблизи кулачкового выступа 3, выполнена предкамера 10 с отверстием 11 (то есть предкамера расположена внутри конструкции двигателя). Отверстие 11 служит для впуска свежей порции топливной смеси в предкамеру 10 и для выпуска горячих газов (продуктов сгорания). Предкамера 10 оборудована свечой зажигания 14 (для воспламенения топливной смеси). На одной из торцевых поверхностей статора 1 выполнены канавки 12 и 13, взаимодействующие с отверстием 11 предкамеры 10 и с торцевой поверхностью ротора 2 (то есть канавки выполнены в конструктивном элементе внутреннего объема двигателя). В стенке статора 1 размещена форсунка 15 для впрыска в камеру 18 воды. Камера 16 переменного объема - камера впуска образована подвижной перегородкой 5 и кулачковым выступом 3 ротора 2 (фиг.6) при нахождении кулачкового выступа справа от перегородки 5. Камера 17 переменного объема - камера сжатия образована кулачковым выступом 3 и подвижной перегородкой 6 (фиг.6) при нахождении кулачкового выступа 3 справа между перегородкой 5 и перегородкой 6. При нахождении кулачкового выступа 3 слева от подвижных перегородок 5 и 6 камеры 16 и 17 образуют общий объем 16-17, ограниченный перегородками 5 и 6 (фиг.5, 7, 8, 9, 10). Камера 18 переменного объема - камера рабочего хода образована подвижной перегородкой 6 и кулачковым выступом 3 (фиг.8, 9, 10) при нахождении кулачкового выступа 3 слева от перегородки 6. Камера 19 переменного объема - камера выхлопа образована кулачковым выступом 3 и подвижной перегородкой 5 (фиг.8, 9, 10) при нахождении кулачкового выступа слева от перегородки 5. При нахождении кулачкового выступа 3 справа между подвижными перегородками 5 и 6 камеры 18 и 19 образуют общий объем 18-19, ограниченный слева перегородками 5 и 6 (фиг.6). Также в момент пересечения кулачковым выступом 3 подвижных перегородок 5 или 6, камеры 16 и 17 образуют общий объем 16-17, а камеры 18 и 19 образуют общий объем 18-19 (фиг.5, 7).

Выпускное отверстие 9 соединяется с конденсатором 21 трубой, в которую вмонтирован теплообменник 20. Двигатель также снабжен фильтром 22 и водяным насосом 23.

Двигатель работает следующим образом.

Исходное положение ротора 2 может быть любым. Для примера: кулачковый выступ 3 ротора 2 находится между отверстиями 8 и 9, а подвижная перегородка 5 отжата кулачковым выступом 3 и вращение ротора 2 происходит по часовой стрелке (фиг.5). Далее кулачковый выступ 3 ротора 2 пересекает перегородку 5, впускное отверстие 8, которое соединяется с камерой 16, и начинается первый такт. Рассмотрим такты работы двигателя по мере прохождения газов из одного объема в другой при вращении ротора 2.

Первый такт. (фиг.6) Впуск свежего заряда топливной смеси (для камеры 16). При вращении ротора 2 в переменном (увеличивающемся) объеме камеры 16, образуемом подвижной перегородкой 5 и кулачковым выступом 3 ротора 2, возникает разрежение, и через отверстие 8 поступает свежая топливная смесь (или воздух). Камера 16 - это переменный (увеличивающий) объем (камера впуска). Конец такта впуска для камеры 16, когда кулачковый выступ 3 подходит к подвижной перегородке 6. Момент, когда кулачковый выступ 3 отжимает подвижную перегородку 6, утапливая ее внутрь статора 1 (фиг.7).

Второй такт. (фиг.6) Сжатие (для камеры 17). При вращении ротора 2 кулачковый выступ 3 от подвижной перегородки 5 к перегородке 6 пересекает подвижную перегородку 5 (момент фиг.5), а затем впускное отверстие 8, и, таким образом, поступившая во внутренний объем камеры 17 статора 1 топливная смесь оказывается заперта между кулачковым выступом 3 (который отсек камеру от впускного отверстия 8) и подвижной перегородкой 6. Камера 17 - это переменный (уменьшаемый) объем, образуемый между кулачковым выступом 3 ротора 2 и подвижной перегородкой 6 (камера сжатия). Камера 17 соединена с канавкой 12, которая взаимодействует с отверстием 11 предкамеры 10, куда и поступает сжимающаяся топливная смесь (или воздух). В конце такта кулачковый выступ 3 ротора 2 подходит к подвижной перегородке 6, полностью вытесняя сжатую в камере 17 топливную смесь в канавку 12 и через отверстие 11 в предкамеру 10. Далее отверстие 11 закрывается торцевой частью статора 1 и, таким образом, сжатая топливная смесь оказывается заперта в предкамере 10.

Третий такт. (фиг.8) Рабочий ход - сгорание и расширения сгоревших газов (для камеры 18). При дальнейшем вращении ротора 2 его кулачковый выступ 3 пересекает подвижную перегородку 6 и образует новый переменный расширяющийся объем между подвижной перегородкой 6 и кулачковым выступом 3. Это - камера 18, камера рабочего хода. В момент пересечения кулачкового выступа 3 подвижной перегородки 6, свечой зажигания 14 в предкамере 10 воспламеняется топливная смесь. (В варианте дизеля вместо свечи зажигания 14 стоит топливная форсунка). А при дальнейшем вращении ротора 2 отверстие 11 предкамеры 10 соединяется с канавкой 13 и выпускает в камеру 18 расширяющиеся сгорающие газы, которые давят на кулачковый выступ 3 ротора 2, заставляя его поворачиваться и совершать рабочий ход. Так как воспламенение топливной смеси происходит в предкамере 10, а расширяющиеся сгорающие газы проникают в камеру 18 через отверстие 11 и канавку 13, то давление на кулачковый выступ 3 ротора возрастает плавно, что создает плавный режим работы двигателя. Таким образом, видно, что камера сгорания для данной конструкции состоит из предкамеры 10 и камеры 18 переменного расширяющего объема. То есть камера 18 - это основная камера камеры сгорания - камера рабочего хода. Третий такт оканчивается при достижении в камере 18 давления и температуры, используемой, например, при выхлопе сгоревших газов традиционных двигателей (для бензинового двигателя 3-4 атм при температуре 900°С, а для варианта дизеля 5-6 атм при температуре 1200-1300°С).

Четвертый такт (фиг.9, 10) - такт впрыска воды в камеру рабочего хода - расширение пара (для камеры 18) начинается, например, при достижении для варианта бензинового двигателя 3-4 атм при температуре 900°С, а для варианта дизеля 5-6 атм при температуре 1200-1300°С. Данные параметры сгоревшего газа возникают в традиционном двигателе при рабочем ходе поршня, равном ходу поршня во время впуска или сжатия. В настоящем варианте конструкция двигателя выполнена таким образом, что объем камеры 18 рабочего хода больше камеры 16 впуска и больше камеры 17 сжатия, следовательно, и ход кулачкового выступа 3 (выполняющий роль поршня) во время рабочего хода больше, чем при совершении им хода впуска или сжатия. То есть достижение параметров сгоревшего газа, характерных для выхлопа традиционных поршневых двигателей, происходит в данной конструкции до окончания кулачковым выступом 3 ротора 2 рабочего хода от сгоревшего топлива, и в этот момент в камеру 18 рабочего хода происходит через форсунку 15 впрыск воды. Впрыснутая и распыленная вода мгновенно испаряется и образованный при этом водяной пар повышает давление в камере 18. Давление воздействует на кулачковый выступ 3 ротора 2, заставляя его продолжать рабочий ход, используя энергию пара. К моменту выхлопа газопаровой смеси давление падает до, например, 1-3 атм и температуры 100-200°С. Третий этап заканчивается при подходе кулачкового выступа 3 ротора 2 к перегородке 5 и открытии отверстия 9 выпуска. С момента впрыска в камеру 18 воды и до момента выхлопа двигатель работает как паровая машина.

Пятый такт. (фиг.7, 8, 9, 10) Выпуск отработавших газов (для камеры 19). В момент, когда кулачковый выступ 3 пересекает подвижную перегородку 6, отверстие 9 с выпускным каналом статора 1 (фиг.9), и объем с расширяющимися газами соединяется с указанным отверстием 9, происходит выхлоп газопаровой смеси. Кулачковый выступ 3 ротора 2, проходя затем последовательно через перегородки 5 и 6, начинает принудительно вытеснять оставшиеся в камере газы (фиг.8, 9, 10). То есть камера 19 - это камера уменьшаемого объема, камера выпуска (выхлопа) отработавших газов и пара. В конце такта кулачковый выступ 3 ротора 2 пересекает подвижную перегородку 5, образуя новый переменный расширяющийся объем (камеру 16), куда через открытое впускное отверстие 8 засасывается новая порция топливной смеси, и цикл повторяется.

Таким образом, видно, что в правой части двигателя располагаются переменного объема камеры 16 и 17, где камера 16 расширяющегося объема и в ней происходит всасывание свежей порции топливной смеси (или воздуха) через открытое отверстие 8, а камера 17 уменьшающего объема и в ней происходит сжатие поступившей топливной смеси из камеры 16. То есть камера 16 - камера всасывания, а камера 17 - камера сжатия.

В левой части от перегородок 5 и 6 располагаются переменного объема камеры 18 и 19. Камера 18 расширяющегося объема и в ней происходит расширение сгораемой топливной смеси, поступившей из предкамеры 10, и затем впрыск воды и образование пара. Расширяющиеся сгорающие газы и затем образованный водяной пар осуществляют давление на кулачковый выступ 3 и, соответственно, осуществление рабочего хода, то есть камера 18 - основная часть камеры сгорания, камера рабочего хода. Когда объем газа соединяется с выпускным отверстием 9, то данная камера становится камерой уменьшаемого объема, то есть камерой 19. Камера 19 - камера выпуска отработавшего газа (камера выпуска).

Выпускаемые через выпускное отверстие 9 сгоревшие газы и отработанный водяной пар попадают в конденсатор 21 (фиг.4), где происходит конденсация пара (а газ выходит в атмосферу). Затем из конденсатора 21 сконденсированная вода с примесями (остатков горения топливовоздушной смеси) попадают в фильтр 22 (фиг.4), где вода очищается от примесей и, с помощью насоса 23 (фиг.4), попадает в теплообменник 20, подогревается и попадает в форсунку 15 (фиг.1, 2, 4-10). Для предварительного нагрева воды может также использоваться вода, циркулирующая в полости 4 статора 1.

Описанный двигатель может работать и без дополнительных устройств: теплообменника 20, конденсатора 21 и фильтра 22.

За один оборот ротора 2 происходит один такт рабочего хода, что соответствует традиционному двухцилиндровому четырехтактному двигателю.

Описанный выше двигатель может быть использован в комбинациях с одним, двумя, тремя, четырьмя и т.д. кулачковыми выступами ротора и, соответственно, одним, двумя, тремя, четырьмя и т.д. предкамерами сгорания, а также в блоке из нескольких роторов.

Предлагаемый двигатель может быть выполнен по схеме бензинового с зажиганием от свечи или по схеме непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с воспламенением от сжатого воздуха (схема дизеля). В этом случае вместо свечи устанавливается топливная форсунка.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого теплового роторного двигателя, заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива в роторном тепловом двигателе, повышении кпд и в снижении вредных выбросов.

Изобретение относится к двигателестроению. Способ работы роторного теплового двигателя, имеющего герметичные камеры переменного объема и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включает четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания, плюс такт впрыска в камеру рабочего хода - камеру сгорания воды. Впрыск воды производят после завершения процесса горения топливной смеси до окончания рабочего хода от сгоревшего топлива. Рабочий ход удлиняют за счет того, что исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, перемещают на увеличенное расстояние, чем при осуществлении такта сжатия. Количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от температуры и давления газов в момент впрыска. Выхлоп отработанной парогазовой смеси проходит последовательно конденсацию в конденсаторе, очистку образованной воды в фильтре и поступление очищенной воды снова в двигатель для впрыска. Впрыск воды осуществляют после предварительного ее подогрева. Роторный тепловой двигатель содержит статор, ротор, подвижные перегородки, камеру сгорания, форсунку для впрыска воды и устройство для подачи воды, которое имеет с ротором связь, например, кинематическую. Техническим результатом является повышение кпд двигателя и снижение токсичности выхлопа. 2 н. и 5 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ работы роторного теплового двигателя, имеющего герметичные камеры переменного объема и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включающий четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания, плюс такт впрыска в камеру рабочего хода - камеру сгорания воды, отличающийся тем, что впрыск воды производят после завершения процесса горения топливной смеси до окончания рабочего хода от сгоревшего топлива и удлиняют рабочий ход за счет того, что исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, перемещают на увеличенное расстояние, чем при осуществлении такта сжатия.2. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от температуры и давления газов в момент впрыска.3. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что выхлоп отработанной парогазовой смеси проходит последовательно конденсацию в конденсаторе, очистку образованной воды в фильтре и поступление очищенной воды снова в двигатель для впрыска.4. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что впрыск воды осуществляют после предварительного ее подогрева.5. Роторный тепловой двигатель, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один кулачковый выступ, который имеет возможность контактировать с внутренней цилиндрической поверхностью статора, подвижные перегородки, выполненные с возможностью контакта с ротором, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, один из которых является основной камерой, причем предкамера расположена внутри ротора и имеет отверстие, а на поверхности статора выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, торцевой поверхностью ротора, где расположена предкамера, и переменными внутренними объемами, отличающийся тем, что одна из перегородок расположена между впускным и выпускным отверстиями, а другая делит окружность цилиндра статора на две неравные части, причем меньшая часть прилегает к впускному отверстию, а в большей части цилиндра установлена форсунка для впрыска воды, кроме этого двигатель оборудован устройством для подачи воды, которое имеет с ротором связь, например кинематическую.6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что двигатель имеет конденсатор и фильтр очистки воды.7. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что устройство для подачи воды имеет связь с устройством для измерения температуры и давления в камере сгорания.