Патент 2392460

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания включает ротор (5), установленный в корпусе (1) с возможностью вращения вокруг центральной оси. В роторе в плоскости от ротора до смещенной оси расположены цилиндры. В цилиндрах находятся поршни (8), внутренний конец которых шарнирно соединен с эксцентрично расположенной осью. Цилиндры (6) соответственно своими наружными концами с возможностью вращения расположены на внешнем краю ротора (5). Цилиндры (6) упираются в наружный кожух ротора (5). В корпусе (1) расположена по меньшей мере одна камера сгорания (17). Внутренний конец камеры сгорания упирается во внутреннюю стенку корпуса, которая окружает наружный кожух ротора (5). Камера сгорания (17) расположена под углом (α) от 45° до 90°, в частности от 70° до 85°, к радиусу ротора (5). Техническим результатом является упрощение конструкции, уменьшение вибрации и шума, а также повышение КПД двигателя. 31 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Известны звездообразные двигатели, у которых цилиндры с поршнями расположены в форме звезды и поршневые штоки приводят в движение коленчатый вал. Особой формой звездообразного двигателя является роторно-поршневой двигатель, у которого коленчатый вал стоит неподвижно, а цилиндры с поршнями вращаются.

Далее известны роторно-поршневые двигатели, как, например, двигатель Ванкеля, у которого в эллипсоидном корпусе с эпитрохоидными камерами вращается ротор, который следует за эллипсоидной формой. При перемещении ротора происходит изменение объема отдельных камер, в одном обороте ротора осуществляется четыре такта двигателя при неоптимальном сегментировании. Эллипсоидная форма создает различие в объемах камер, и таким образом осуществляются четыре рабочих цикла. Этим двигателям, как и остальным двигателям с поршнями, присуще то, что сгорание в цилиндре движет поршень и благодаря этому создается движущая сила.

Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, который при простой конструкции и тихой работе имеет высокий коэффициент полезного действия. Также задачей изобретения является исключение эллипсоидной формы с целью максимального уплотнения камер, сведение вибрации до минимума и упрощение конструкции.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью отличительной части пункта 1 формулы изобретения.

Новым при этом среди прочего является то, что сгорание воздушно-газовой смеси больше не происходит в цилиндрах и, следовательно, поршни больше не служат напрямую приводу, цилиндры с поршнями обеспечивают дополнительную камеру сгорания сжатой воздушно-газовой смесью. Газ, выходящий после зажигания из камеры сгорания, расположенной вне ротора, приводит ротор в движение.

Благодаря разделению сжатия и сгорания повышается коэффициент полезного действия, уменьшается вибрация и снижается износ. Сжатие и сгорание в разделенных областях машины могут быть оптимизированы.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что он имеет меньшие габариты, легче по весу, но имеет высокую мощность и несмотря на это экономичен, он предлагает широкий спектр регулировки мощности двигателя, имеет низкий расход топлива, при этом может использоваться топливо с высокой точкой температуры воспламенения, например, водород.

Другие полезные варианты исполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению роторно-поршневой двигатель имеет круговую форму ротора и имеет смещенную от центра С ось. Это исключает сложное эллипсоидное движение и обеспечивает хорошее уплотнение отдельных рабочих камер.

Осуществление всасывания, сжатия и зажигания воздушно-топливной смеси и выброс выхлопных газов достигается благодаря различию в удалении смещенной от центра (С) ротора в центр В оси поршневой группы до периферии ротора. В секторе максимального радиуса (r max) осуществляется всасывание, в секторе с минимальным радиусом (r min) осуществляется зажигание воздушно-топливной смеси и выброс выхлопных газов, и все это происходит при одном обороте ротора. Сила, возникающая в результате зажигания, направлена тангенциально к направлению вращения ротора, которое предопределено камерой сгорания, поршневой группой и смещенным центром (В).

Полезные примеры исполнения изобретения представлены на чертежах и далее описаны более подробно:

фигура 1 - поперечное сечение роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания,

фигура 2 - разрез по D-D на фигуре 1 - один из вариантов установки поршневой группы,

фигура 3 - разрез по F-F на фигуре 1,

фигура 4 - разрез по Е-Е на фигуре 1,

фигура 5 - вид торца двигателя,

фигура 6 - вид сверху двигателя,

фигура 7 - изображение зубчатого зацепления между отдельными роторами корпусов (R1, R2, R3) в двигателе,

фигура 8 - схематическое изображение процесса всасывания воздушно-топливной смеси и регулируемого сектора (X), который определяет его начальный момент,

фигура 9 - схематическое изображение рабочего процесса и регулируемого сектора (Y), который определяет начальный момент выброса выхлопных газов,

фигура 10 - круговая диаграмма процессов всасывания (N), сжатия (М), работы (Н), выброса выхлопных газов (Е), образование вакуума (G),

фигура 11 - поперечное сечение роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с углом α у камеры сгорания (17).

Роторно-поршневой двигатель, состоящий из трех или большего количества расположенных параллельно друг другу, взаимодействующих, охлаждающихся жидкостью корпусов 1, имеет согласно фигурам 1-3 по одному корпусу 1, на котором установлены свечи зажигания 2, отверстие 3 для выхлопных газов и всасывающее отверстие 4.

В корпусе 1 установлен ротор 5 с двумя зубчатыми венцами 14. На этом роторе 5 по обеим сторонам каждой отдельной рабочей камеры 11 цилиндров 6 установлены сегменты 9, которые служат для их уплотнения. Части цилиндров 6, которые располагаются в роторе подвижно, с внешней стороны имеют сферическую форму, что обеспечивает функционирование шарового шарнира.

Цилиндры 6 подвижны в радиальном направлении и совершают орбитальные переходы, они скользят по оборудованным небольшими поршнями 13 (экспандеры) поршням 8, которые со своей стороны уплотнены сегментами 9. Поршни 8 установлены по оси подвижно независимо друг от друга, как это показано на фиг.2. Поршни 8/I и 8/III установлены в корпусе 1 и поршень 8/II установлен между и в поршнях 8/I и 8/III. Опора поршневой группы поршней 8/I+II+III от центра С ротора 5 в точку В (смещенный центр В пересекается осью 10). Поршни 8 неподвижны по оси относительно центра В и не совершают перехода на орбиту. С зубчатыми венцами 14 по обеим сторонам каждого ротора 5 соединяются зубчатые передачи 15а, и от концевых корпусов R1 и R3 исходят выходные валы 15. Движение исходит от периферии ротора 5, а не от его центра. Диаметром поршня 8, диаметром ротора 5 и смещенной от центра С ротора осью 10 определяются объемы рабочих камер 11 и мощность двигателя.

Верхняя мертвая точка каждого поршня достигается в области, где начинается выброс выхлопных газов (фиг.1). Прямая линия, которая проходит через центр С ротора и через смещенный центр В, точно показывает эту область. Камера сгорания 17 находится на угловом расстоянии 30°, точно от этой прямой линии перед отверстием для выхлопных газов. При зажигании воздушно-топливной смеси в камере сгорания 17 поршень 8 еще не полностью достигает верхней мертвой точки.

Подвижно установленные в роторе 5 цилиндры 6 действуют как выравнивающие рычаги (угловые компенсаторы), которые компенсируют кривые переходы к различным орбитальным положениям, которые определены смещенным центром В и круговой формой ротора 5. В рабочей камере 11 каждого цилиндра 6 конструктивно предусмотрен существенно меньший поршень 13, с помощью которого компенсируются различные моменты от нагрузки при различной заданной мощности до момента выброса выхлопных газов. Этот небольшой поршень не оказывает какого-либо влияния на индикаторное напряжение (давление), создающееся в рабочей камере 11. Движение передается тангенциально с помощью давления на ротор 5 в его направлении движения. Это направление движения задано конструкцией камеры сгорания 17 в корпусе (1) и поршневой группой, смещенной от центра С ротора 5, которая установлена в корпусе 1 фиг.2 (ось 10).

С изменением положения смещенного центра В в другую точку (это может осуществляться с автоматическим управлением) изменяется ход цилиндра (рабочий объем), и вследствие этого может изменяться мощность двигателя во время своего рабочего процесса. Как можно видеть на фиг 1 и 9, расстояние от камеры сгорания 17 до отверстия 3 для выхлопных газов, которое обозначено дугой ℓ, может изменяться в секторе Y, чья регулировка влияет и определяет рабочий процесс (А=F·cosφ) и начальный момент выброса выхлопных газов. В секторе с радиусом (rmax.) всасывающее отверстие 4 выполнено конструктивно таким образом, что с помощью выбираемого его позиционирования в секторе Х может изменяться начальный момент всасывания воздушно-топливной смеси.

А=F·cosφ

φ=ωt

F=φt

ℓ=rφ

A = работа

F = сила

ω = угловая скорость

φ = угол поворота

t = время

ℓ = дуга (путь) от камеры сгорания 17 до отверстия 3 для выхлопных газов

Z = передаточное число

При постоянном объеме рабочей камеры 11 во время процесса работы Н благодаря настоящему изобретению при существенно меньшем количестве топлива достигается желательное индикаторное давление, которое соответствует заданной силе F, воздействует при угле φ поворота в определенное время t.

Функционирование двигателя реализуется после включения стартера и вращения ротора 5. Вследствие конструктивного различия в удалении от периферии ротора 5 до смещенной от центра С оси 10 цилиндры 6 изменяют объем рабочих камер 11 и осуществляют в зависимости от их точек соприкосновения пять рабочих процессов (см. фиг.10) в одном обороте ротора 5. При процессе зажигания в положении поршня (8/I, см. фиг.1), рабочая камера 11 и камера сгорания 17 встречаются друг с другом в корпусе 1. В этот момент воздушно-топливная смесь максимально сжата в рабочей камере 11. При попадании в камеру сгорания 17 воздушно-топливная смесь сжимается в ней и тотчас воспламеняется. После зажигания возникшая сила F действует на дно поршня 8/I и соответственно на ротор 5. Вследствие этого сила F распределяется тангенциально к ротору 5 в его направлении движения, и это действие происходит до момента выброса выхлопных газов через регулируемое отверстие 3 для выхлопных газов. Рабочие камеры 11 в роторе расположены одна от другой на угловом расстоянии 120°. Благодаря этому за один оборот ротора 5 троекратно происходит процесс зажигания (при угловом расстоянии 120°). Этот процесс осуществляется отдельно в каждом из трех корпусов Rl, R2, R3 двигателя.

Как упоминалось вначале (см. фиг.6), весь комплектный двигатель состоит из трех или большего количества корпусов R1, R2, R3, которые соединены друг с другом с помощью зубчатой передачи 15а и работают синхронно. Поршневая группа поршней 8 каждого последующего корпуса 1 смещена по сравнению с предыдущим на определенный угол, который пропорционально соответствует числу корпусов 1 в двигателе. При трех корпусах 1 каждая последующая поршневая группа поршней 8 смещена в своем положении по сравнению с предыдущей на 40°. Комбинация различных размеров диаметра корпусов в двигателе позволяет достигать различных показателей мощности в отдельном роторе 5. Предложенная конструкция дает в зависимости от требований и ситуации возможность автоматически выбирать число корпусов, принимающих участие в работе двигателя. Благодаря этому достигается более низкий расход топлива. При потребности в более высокой мощности все корпуса R1, R2, R3 принимают участие в рабочем режиме двигателя.

В секторе максимального радиуса (rmax, см. фиг.8) через кольцевой поршень 16 происходит засасывание воздуха и в секторе минимального радиуса (rmin, см. фиг.9) сжатие воздуха. Через каналы в цилиндрах 6 и роторе 5 при определенных точках соприкосновения, при совпадении с такими же каналами в корпусе 1 воздух поступает к зонам, в которых он подвергается дополнительному охлаждению. Сжатый воздух охлаждает свечи зажигания 2 и камеру сгорания 17 в корпусе 1 и поддерживает выброс выхлопных газов. Расположенные радиально в цилиндрах 6 кольцевые поршни 16 образуют компрессор. При необходимости воздух может использоваться (применяться) для дополнительного сжатия воздушно-топливной смеси.

В состоянии покоя ротор имеет определенную конструктивную массу, которая в целом имеет меньшую величину, чем при вращении. Пространство внутренней стороны ротора 5 однократно заполняется маслом. При вращении возникают центробежные силы, которые распределяют масло по внутренней стенке ротора 5.

Ротор 5 имеет конструктивно заданную форму рельефа внутренней стенки. Она способствует распылению масла назад во внутреннее пространство двигателя. В результате этого возникает новая, большая величина массы двигателя при вращении. Это делает возможным более низкий расход энергии при запуске двигателя и более высокий момент количества движения при рабочем режиме двигателя.

Изобретение принадлежит к двигателям внутреннего сгорания роторно-поршневого типа и может применяться в автомобилестроении, самолетостроении, судостроении, для мотоциклов, генераторов, а также для привода различных передач и механизмов.

После пуска роторно-поршневого двигателя ротор 5 смещается в правое вращательное движение, при этом объем рабочей камеры 11 во время рабочего процесса (зажигание воздушно-топливной смеси в камере сгорания 17) остается постоянным. Поршень 8 в этот момент не совершает какого-либо обратного движения. Поршни служат только для того, чтобы воздушно-топливная смесь засасывалась в цилиндры 6 и чтобы в камере сгорания происходило сжатие и удаление выхлопных газов. Каждый отдельный поршень 8 установлен независимо один от другого. Вся поршневая группа вращается вокруг оси 10, которая смещена от центра С.

Зажигание воздушно-топливной смеси происходит вне рабочих камер 11, а именно в камере сгорания 17. В этот момент поршень 8, который сжал воздушно-топливную смесь в камере сгорания 17, образует угол 70° к ротору. Возникающая при детонации сила F распределяется прямо тангенциально через давление на ротор 5. Поршень 8 не совершает обратного движения в результате детонации, как это видно на фиг.1 и 3. Каждый отдельный поршень 8 имеет совсем небольшой поршень 13, который в первый момент воспринимает часть силы детонации и позволяет в результате этого уравновешивать (компенсировать) различную по силе детонацию при изменении положения отверстия для выхлопных газов 3 или всасывающего отверстия 4 или центра В. Он, таким образом, защищает камеру сгорания 17, а также корпус 1 от перегрузки.

Роторно-поршневой двигатель состоит из трех роторов 5 и трех поршневых групп поршней 8/I, 8/II, 8/III с принадлежащими цилиндрами 6, всего девять поршней 8. Каждый поршень 8 заданным образом конструктивно позиционируется относительно другого, что угол между ними составляет 40°. Это означает, что при пуске двигателя, зажигание осуществляется в интервале 40°. Это угловое расстояние при возможном исполнении двигателя с четырьмя роторами 5 соответственно этому уменьшается до 30°. (Например: при пяти роторах до 24°).

При более низком крутящем моменте двигателя достигаются высокие обороты на выходном валу 15, который непосредственно соединен с ротором на его периферии с помощью зубчатой передачи, и это без сложного исполнения, например, редуктора.

В заключение следует констатировать, что благодаря изобретению разработан роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, который по сравнению с двигателем Ванкеля не совершает эллипсоидного движения и имеет конструктивные преимущества. Оптимальное уплотнение рабочей камеры 11, более низкий расход энергии при запуске двигателя, более легкий по весу и развивающий большую мощность при работе, имеющий небольшие размеры двигатель отличается хорошим динамическим балансом, экономичностью, при необходимости автоматическим, направленным на получение пользы регулированием мощности двигателя, выбираемым в зависимости от ситуации расходом топлива, способностью работать на топливе с более высокой точкой детонации, например, водороде.

1. Двигатель внутреннего сгорания с ротором (5), установленном в корпусе (1) с возможностью вращения вокруг центральной оси, при этом в роторе в плоскости от ротора до смещенной оси расположены цилиндры, в которых находятся поршни (8), внутренний конец которых шарнирно соединен с эксцентрично расположенной осью, причем цилиндры (6) соответственно своими наружными концами с возможностью вращения расположены на внешнем краю ротора (5), отличающийся тем, что цилиндры (6) упираются в наружный кожух ротора (5), при этомв корпусе (1) расположена по меньшей мере одна камера сгорания (17), внутренний конец которой упирается во внутреннюю стенку корпуса, которая окружает наружный кожух ротора (5), причемкамера сгорания (17) расположена под углом (α) от 45 до 90°, в частности от 70 до 85°, к радиусу ротора (5).

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что три цилиндра (6) с поршнями (8) расположены в роторе (5) друг от друга на угловом расстоянии в 120°.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в направлении вращения ротора (5) за камерой сгорания (17) в корпусе (1) двигателя предусмотрено отверстие (3) для выхлопных газов и в направлении вращения за ним всасывающее отверстие (4).

4. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевой ротор (5) снабжен зубчатым венцом, с которым взаимодействует ведомая шестерня.

5. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндрическая наружная стенка ротора (5) имеет возвышения и/или углубления для расширяющегося в камере сгорания (17) газа.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что углубление выполнено во внутреннем пространстве цилиндра (6).

7. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что расположенное в цилиндрической наружной стенке ротора (5) дроссельное отверстие, ведущее во внутреннее пространство цилиндра, имеет поверхность внутренней стенки для расширяющегося в камере сгорания (17) газа.

8. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что ротор (5) и камера сгорания (17) расположены в одном кольцевом корпусе (1).

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что два или более колец, установленных в корпусе (1), образуют двигатель.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что у трех колец, установленных в корпусе (1), камера сгорания (17) одного кольца смещена, в частности на 40° по отношению к камере сгорания смежных колец.

11. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен тремя или более корпусами (1), охлаждающимися жидкостью, круговой формы роторами (5) с одинаковым диаметром, а также содержит движущиеся в радиальном направлении, вращающиеся с совершением орбитального перехода, качающиеся вокруг центров (7) в роторах (5) и скользящие по поршням (8) цилиндры (6).

12. Двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что поршни (8) неподвижны в радиальном направлении, не совершают орбитального перехода и не зависимо друг от друга качаются и вращаются вокруг смещенной от центра (С) оси (10).

13. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что части цилиндра (6), которые подвижно расположены в роторе (5), с наружной стороны имеют сферическую форму и выполняют функции шарового шарнира.

14. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндры (6) вместе с поршнями (8) выполнены в виде независимых друг от друга угловых компенсаторов, которые компенсируют угловые переходы к различным, предварительно заданным предопределенным круглой формой ротора (5) и смещенной от центра осью (10), орбитальным позициям.

15. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что поршни (8) установлены независимо друг от друга.

16. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый отдельный поршень (8) имеет, в частности, подпружиненный меньший поршень-расширитель, который скользит соосно в головке поршня (8), в качестве компенсатора динамики во время рабочего процесса.

17. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что объемы и степень компрессии рабочих камер (11) могут быть изменены с помощью выбираемого позиционирования смещенной от центра оси (10) в отношении центра (С).

18. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что дуга l, представляющая собой расстояние от камеры сгорания (17) до отверстия (3) для выхлопных газов, может регулироваться в секторе (Y), что определяет величину работы А, образующейся в результате действия силы F детонации на ротор (5) при определенном угле φ поворота.

19. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что за один оборот каждого ротора (5) в двигателе происходит пять процессов: всасывание (N), сжатие (М), работа (Н), выброс выхлопных газов (Е) и образование вакуума G.

20. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что позиционирование всасывающего отверстия (4) и отверстия (3) для выхлопных газов выполнено с возможностью изменения.

21. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что двигатель снабжен тремя и более корпусами, имеющими роторы (5), каждый из которых обладает двумя зубчатыми венцами (14), с помощью которых могут приводиться в движение зубчатые передачи (15а), которые имеют зубчатое зацепление с последующими параллельно расположенными роторами (5).

22. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что двигатель снабжен тремя и более корпусами, имеющими роторы (5), каждый из которых в конечных корпусах (1, R1 и R3) имеет зубчатые венцы (14), с которыми имеют зубчатое зацепление с передаточным числом (Z) выходные валы (15).

23. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что движение с помощью зубчатой передачи (15а) и выходных валов (15) исходит от периферии ротора (5).

24. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что двигатель снабжен тремя и более корпусами, имеющими роторы (5), рабочие камеры (11) которого расположены на угловом расстоянии в 120° друг от друга, причем в каждом последующем роторе (5) поршневая группа смещена на определенный угол по сравнению с предыдущим, который зависит от числа установленных роторов (5).

25. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что число корпусов (1) в двигателе определяет частоту рабочих процессов при одном обороте.

26. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что двигатель снабжен тремя и более корпусами, имеющими роторы, причем каждый отдельный корпус (1) вместе с принадлежащим ротором (5) имеет различный диаметр.

27. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что предусмотрено заполнение маслом, причем ротор (5) в состоянии покоя имеет меньшую инерционную массу, чем при вращении, вследствие распыления масла, вызванного вращением, на внутренней стороне ротора (5).

28. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя стенка ротора (5) между зубчатыми венцами (14) имеет конструктивно оформленный рельеф, обеспечивающий распыление масла назад во внутреннее пространство двигателя.

29. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что двигатель снабжен тремя и более корпусами, имеющими роторы (5), причем каждая рабочая камера (11) каждого ротора (5) после рабочего процесса зажигания воздушно-топливной смеси до следующего рабочего процесса зажигания совершает полный оборот.

30. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит образующие компрессор кольцевые поршни (16) и кольцевые камеры (18), расположенные параллельно каждому поршню (8) и установленные в цилиндрах (6), причем от камер (18) через цилиндр (6) и ротор (5) идут воздушные каналы, которые при определенном угле поворота соединяются с воздушными каналами в корпусе (1) для обеспечения распределения по зонам, где необходимо дополнительное охлаждение камеры сгорания (17).

31. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в отношении смещенной от центра оси (10) цилиндры (6) движутся противоположно поршням (8) в своем осевом направлении.

32. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что поршни (8) неподвижны в своем осевом направлении по отношению к смещенной от центра оси (10) и по поршням (8) реверсивно движутся цилиндры в своем осевом направлении.