Гибридный двигатель внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к конструкции двигателя внутреннего сгорания. Двигатель включает корпус и планетарный зубчатый механизм. Корпус имеет круговую рабочую полость с каналами впускными, выпускными и перетока. Планетарный зубчатый механизм содержит по меньшей мере два рабочих вала, по меньшей мере одно центральное неподвижное зубчатое колесо, концентричный рабочим валам выходной вал, шатуны. Рабочие валы соосны круговой поверхности рабочей полости и оснащены с одной стороны лопастными поршнями и с другой стороны рычагами. Центральное неподвижное зубчатое колесо соосно поверхности рабочей полости и рабочим валам. Выходной вал имеет эксцентрик. На эксцентрике установлено водило с планетарным зубчатым колесом. Шатуны шарнирно соединяют водило и рычаги обоих рабочих валов. Закрепленное на водиле планетарное зубчатое колесо имеет внутреннее зацепление с центральным неподвижным зубчатым колесом с внешним зацеплением с передаточным отношением i=(n+1)/n, (где n=2, 3, 4, 5 ... - ряд целых чисел), где n равно количеству лопастных поршней, установленных на каждом рабочем валу. Каналы перетока примыкают к рабочей полости и соединяют ее компрессорную и расширительную части. Техническим результатом является повышение экономичности двигателя. 2 з.п. ф-лы, 36 ил.

Реферат

Предлагаемый гибридный двигатель внутреннего сгорания (ГДВС) может использоваться как техническое устройство для преобразования энергии топлива в механическую работу.

Изобретение относится к конструкции роторно-поршневых машин (далее РПМ), содержащих рабочую полость с объемно-вытеснительными элементами РПМ - лопастными поршнями, плунжерами, манжетами, находящимися в одном корпусе (секции). Их согласованное движение осуществляется планетарным механизмом. Такой механизм обеспечивает взаимно-относительное вращательно-колебательное движение объемно-вытеснительных элементов РПМ.

РПМ с такими объемно-вытеснительными элементами - в зависимости от дополнительного оборудования - способны работать в качестве роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее РПДВС) на произвольном жидком и/или газообразном топливе в режиме внутреннего и/или внешнего смесеобразования.

Особенностью работы заявляемого здесь ГДВС является то, что для его работы не нужно принудительное прерывание горения топлива. Для других машин объемного расширения (например, поршневых ДВС) для нормальной работы необходимо регулярное прерывание горения топлива. Напротив, для нормальной работы газотурбинных двигателей необходимо непрерывное постоянное горение топлива. Работа ГДВС имеет много общего с работой тепловых машин объемного расширения, однако также имеет специфические особенности в организации процессов воспламенения и горения топлива. Этим они отличаются от известных типов ДВС и поэтому здесь называются «гибридными».

Они предназначены для оснащения:

а) различных, транспортных средств, например, легковых автомобилей, такси и грузовиков;

малогабаритных судов типа моторных лодок, катеров и яхт;

сверхлегких и легких летательных аппаратов типа парамоторов, моторных дельтапланов, самолетов и особенно легких вертолетов;

б) мототехники для активных видов отдыха и спорта, таких как мотоциклы, тетрациклы, скутеры и снегоходы;

в) тракторов, комбайнов и иных самоходных сельскохозяйственных орудий;

г) компактных и мобильных электрогенераторов.

Применительно только к изобретению здесь и далее обозначены: термином «РПМ - роторно-поршневая машина» - машина, содержащая рабочую полость с объемно-вытеснительными

элементами РПМ - лопастными поршнями, плунжерами, манжетами, находящимися в одном корпусе (секции);

термином «РПДВС - роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания» - такой двигатель, который имеет по меньшей мере две пары лопастных поршней, установленных на соосных валах по крайней мере в одном круговом корпусе (секции). Причем, таких корпусов (секций) может быть несколько и они могут быть выполнены смежными;

термином «лопастные поршни» - такие подвижные объемно-вытеснительные конструктивные элементы, между которыми и внутренними стенками одной секции циклически происходит изменение объемов рабочего тела;

термином «торец» - переферийная поверхность каждого лопастного поршня, сопрягаемая с внутренними стенками рабочей полости корпуса;

термином «грань» - боковая поверхность каждого лопастного поршня с одной стороны, сопрягаемая по ее периметру с внутренними стенками рабочей полости корпуса;

термином «смыкание граней» - такое положение граней смежных лопастных поршней, которое характеризуется минимальным объем/расстоянием между этими гранями;

термином «рабочая полость корпуса (секции)» - полость, которая заключена между внутренней стенкой рабочей полости корпуса и гранями лопастных поршней. Она состоит не менее чем из четырех одновременно существующих и изменяющихся по величине текущих объемов. При работе РПМ рабочая полость корпуса (секции) имеет постоянный объем независимо от углового смещения лопастных поршней;

термином «текущий объем» - каждая переменная по величине часть объема рабочей полости корпуса (секции), которая заключена между гранями смежных лопастных поршней и внутренними стенками одной секции и в которой последовательно протекают такты рабочего процесса;

термином «канал перетока» - вынесенный за пределы круговой рабочей полости корпуса суммарный объем, соединяющий(е) компрессорную и расширительную части рабочей полости корпуса;

термином «активатор» - устройство, предназначенное для обеспечения увеличения квантово-энергетического потенциала частиц топлива/топливовоздушной смеси и состоящее из внешнего источника энергии, передающего канала и излучателя.

термином «дополнительное рабочее тело» - вода, водяной пар или другие содержащие воду вещества.

Уровень техники

Известны роторно-поршневые машины с планетарными механизмами подобного назначения, например, автор Е. Кауэртц, патент США: Eugene Kauertz, Rotary Radial-Piston Machine, US patent #3144007, Aug. 11,1964; Rotary vane motor, US patent #6886527.

Они также описаны, например, в патентах Германии N°142119 за 1903 г.; NQ271552, кл. 46 аб 5/10 за 1914 г.; Франции N°844351, кл. 46 а5 за 1938 г.; США N°3244156, кл. 12-8.47, 1966 г.; US Patent # 6,739,307, US CI. 123/245, May 25, 2004, Internal Combustion Engine and Method, author Ralph Gordon Morgado, и др. Подобного назначения механизмы и машины описаны в патентах России:

N2013597, кл. 5 F02B 53/00, NQ2003818, кл. 5 F02B 53/00; NQ2141043, кл. 6 F02B 53/00, F04C 15/04, 29/10, 1998 г.; Украины - №18546, кл. F02B 53/00, F02G 1/045, 1997 г., N93603, кл. F01C 1/063 (2006/01), F02B 53/10 (2006/01), F04C 2/063 (2006/01).

Планетарные механизмы этих роторных машин обеспечивают взаимно-относительное вращательно-колебательное движение их компрессионных элементов - лопастных поршней. Однако эти известные планетарные механизмы не способны с требуемым ресурсом несколько тысяч часов работы передавать на выходной вал значительные усилия от лопастных поршней, например, несколько тонн, во время рабочего хода двигателя в случае РПДВС.

Общими конструктивными признаками известных роторно-поршневых машин с такими планетарными механизмами являются:

корпус с круговой рабочей полостью, имеющий впускные и выпускные каналы;

по меньшей мере две пары лопастных поршней, жестко закрепленные на двух рабочих валах, соосных поверхности рабочей полости, причем по крайней мере один из валов имеет кривошип;

соосный рабочим валам выходной вал с водилом;

расположенное на водиле выходного вала по меньшей мере одно планетарное зубчатое колесо, имеющие внешнее зубчатое зацепление с неподвижным центральным зубчатым колесом, соосным поверхности рабочей полости и выходному валу;

кривошипный(е) вал(ы), соосный(е) планетарному зубчатому колесу;

шатун(ы), шарнирно соединяющий(е) рычаги рабочих валов с кривошипными валами планетарных зубчатых колес.

Планетарный механизм таких двигателей имеет ряд недостатков. Первый - это необходимость делать большими размеры планетарных зубчатых колес внешнего зацепления, чтобы обеспечить их работоспособность при передаваемых рабочих нагрузках. Другой недостаток - скорость вращения планетарных зубчатых колес и соосных им кривошипных валов должна быть в несколько раз больше скорости вращения выходного вала, что ухудшает условия работы подшипников и уменьшает ресурс их работы. Третий недостаток - кривошипные валы и соосные им планетарные зубчатые колеса расположены на водиле на значительном радиусе от оси выходного вала. По этой причине на них действуют значительные центробежные силы, которые создают дополнительные нагрузки на подшипники планетарных зубчатых колес, что также уменьшает ресурс работы РПМ.

Также известна РПМ по материалам международной патентной публикации WO/2009/072994 от 1 1.06.2009 (International Application N° PCT/UA2007/000080).

Наиболее близка к технической сути изобретения конструкция устройства по материалам международной патентной публикации WO 2011/010978 А1 от 27.01.20 1 г., имеющая планетарный кинематический механизм.

Это устройство представляет собой РПМ с планетарным механизмом. Необходимое передаточное отношение планетарного зубчатого зацепления i=п / (п+1), где п=1, 2, 3, 4 и т.д. однозначно определяется количеством лопастных поршней п на каждом из рабочих валов РПМ.

В частности, эта РПМ имеет корпус с круговой рабочей полостью, впускными и выпускными каналами и каналами перетока, а также:

по меньшей мере два рабочих вала, которые соосны круговой поверхности рабочей полости и оснащены с одной стороны лопастными поршнями и с другой стороны рычагами;

по меньшей мере одно центральное неподвижное зубчатое колесо, которое соосно поверхности рабочей полости и рабочим валам;

соосный рабочим валам выходной вал с эксцентриком, на котором установлены водило с планетарным зубчатым колесом;

шатуны, шарнирно соединяющие водило и рычаги обоих рабочих валов,

при этом планетарное зубчатое колесо находится в зацеплении с центральным неподвижным зубчатым колесом с внутренним зубчатым зацеплением.

Отличительной особенностью этой РПМ является то, что круговая рабочая полость корпуса имеет каналы перетока, вынесенные за пределы рабочей полости.

Недостатком кинематического механизма такой РПМ является значительная нагрузка подшипника(ов) водила по скоростному режиму. Это следствие того, что направление вращения выходного вала с его эксцентриком, на котором установлено водило, и направление вращения самого водила - противоположны. Результатом является напряженный скоростной режим подшипника водила вследствие сложения угловых скоростей выходного вала и водила. Это неизбежно приводит к ускоренному износу подшипника и, соответственно, уменьшению времени безотказной работы РПМ и надежности ее работы. К тому же за этот отрицательный эффект приходится расплачиваться повышенным трением в этом узле и соответственно бесполезной тратой энергии топлива.

Краткое изложение сущности изобретения

Целью изобретения является улучшение экономичности ДВС путем уменьшения потерь энергии топлива на внутреннее трение и при охлаждении РПМ, а также от неполноты сгорания топлива.

Поставленная задача изобретения решена тем, что роторно-поршневая машина объемного расширения, которая включает:

- корпус, имеющий круговую рабочую полость с каналами - впускными, выпускными и перетока - и планетарный механизм, содержащий:

- по меньшей мере два рабочих вала, которые соосны круговой поверхности рабочей полости и оснащены с одной стороны лопастными поршнями и с другой стороны рычагами;

- по меньшей мере одно центральное неподвижное зубчатое колесо, которое соосно поверхности рабочей полости и рабочим валам;

- концентричный рабочим валам выходной вал с эксцентриком, на котором установлено водило с планетарным зубчатым колесом;

- шатуны, шарнирно соединяющие рычаги обоих рабочих валов и водило, отличающаяся тем, что закрепленное на водиле планетарное зубчатое колесо имеет внутреннее зубчатое зацепление и находится в зацеплении с центральным неподвижным зубчатым колесом с внешним зубчатым зацеплением с передаточным отношением i=(п+1)/п, (где п=2, 3, 4, 5… - ряд целых чисел), где п равно количеству лопастных поршней, установленных на каждом рабочем валу, при этом каналы перетока примыкают к рабочей полости и соединяют ее компрессорную и расширительную части.

В отличие от прототипа, замысел изобретения заключается в том, чтобы улучшить экономичность ДВС путем уменьшения потерь энергии топлива на внутреннее трение в двигателе, а также от неполноты сгорания топлива. Уменьшить фрикционный износ пар трения кинематического механизма РПМ можно путем уменьшения разницы угловых скоростей выходного вала и водила без увеличения относительных угловых скоростей в других кинематических парах трения. В отличие от прототипа, это достигается путем изменения передаточного отношения планетарного зубчатого зацепления для обеспечения однонаправленного вращения водила и выходного вала. При этом должно быть обеспечено условие постоянства фазы смыкания граней лопастных поршней относительно каналов впуска, выпуска и перетока. Это достигается указанным в отличительной части изобретения заданием специфического передаточного отношения планетарной пары РПМ в зависимости от количества лопастных поршней на рабочих валах (что не является очевидным для специалиста) и в целом является решением задачи изобретения.

В результате кинематический механизм такой РПМ реализует принцип «минимального перемещения в парах трения» для обеспечения минимальных потерь механической энергии, минимума фрикционного износа и лучшей экономичности ДВС для достижения цели изобретения:

- соосные рабочие валы с лопастными поршнями, а также выходной вал вращаются в одном направлении, т.е. с минимальной разностью угловых скоростей;

- подшипники шатунов имеют только возвратно-вращательное движение с малой скоторстью в небольшом угловом секторе (в отличие от вращательного движения на коленчатом валу поршневых машин);

- водило вращается на эксцентрике выходного вала в одну с ним сторону, т.е. они также имеют минимальную разность угловых скоростей.

Каналы перетока в такой РПМ прилегают к рабочей полости и соединяют ее компрессорную и расширительную части. Фактически, каналы перетока здесь выполняют функцию камер сгорания ДВС.

Первое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что выходные отверстия лубрикатора расположены между впускным каналом и каналом перетока. Это позволяет обеспечить целенаправленную подачу масла непосредственно в зону фрикционного контакта между поверхностью рабочей полости двигателя и компрессионными уплотнениями лопастных поршней. Этим обеспечивается переход от сухого трения к полусухому, что в значительной степени уменьшает потери энергии на трение и фрикционный износ компрессионных уплотнений. Соответственно улучшается экономичность двигателя.

Второе дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что круговая рабочая полость корпуса имеет горообразную форму. Компрессионные уплотнения, включая их угловые сопряжения, являются наиболее проблематичными узлами ДВС роторного типа. Горообразная форма рабочей полости и ее компрессионных уплотнений обеспечивает минимальное количество угловых сопряжении в уплотнениях и, соответственно, минимальные утечки рабочего тела через них. Это обеспечивает минимальные компрессионные потери при работе ГДВС и улучшение его экономичности.

Третье дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что корпус имеет по меньшей мере двухсекционную круговую рабочую полость с находящимися в ней рабочими валами и лопастными поршнями,

а выходной вал имеет по меньшей мере два эксцентрика, на которых установлены водила вместе с планетарными зубчатыми колесами, при этом

планетарные зубчатые колеса находятся в зацеплении с центральными неподвижными зубчатыми колесами, а водила шарнирно соединены шатунами с рычагами рабочих валов,

причем как секции рабочей полости корпуса так и эксцентрики выходного вала могут быть развернуты один относительно другого на угол до 180°.

Каналы перетока в такой двухсекционной РПМ прилегают к рабочей полости и соединяют ее компрессорную и расширительную секции. Фактически, каналы перетока здесь выполняют функцию камер сгорания ДВС. Неравномерность вращения выходного вала односекционного роторного ДВС вызывает увеличенные пиковые механические нагрузки в парах трения кинематики двигателя. Соответственно увеличиваются потери механической энергии на трение. Двухсекционный вариант ГДВС при том же суммарном объеме рабочей полости имеет более равномерный характер вращения выходного вала, меньшие потери механической энергии и соответственно лучшую экономичность.

Четвертое дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что корпус имеет по меньшей мере двухсекционную круговую рабочую полость различного объема с находящимися в ней рабочими валами и лопастными поршнями, при этом компрессионная секция и расширительная секция большего объема сообщаются между собой посредством каналов перетока. При сжатии и расширении рабочего тела в одном и том же объеме, например, как это происходит в поршневых ДВС, отработавшие газы непосредственно перед выхлопом имеют значительное избыточное давление и, соответственно, энергию. Эта энергия утилизируется в таком ГДВС при дополнительном расширении рабочего тела в расширительной секции большего объема с выполнением полезной работы. Этим обеспечивается увеличение экономичности ГДВС.

Пятое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что каналы перетока установлены на корпусе на теплоизоляторах. Каналы перетока являются наиболее термически напряженным узлом ГДВС, так как они фактически выполняют функцию камеры сгорания. Их вынос за пределы рабочей полости ГДВС и установка на теплоизоляторы обеспечивают термическую разгрузку других элементов конструкции и минимизацию тепловых потерь при охлаждении ДВС. Это улучшает экономичность ГДВС.

Шестое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что каналы перетока могут быть футерованы и/или заполнены высокопористой газопроницаемой термостойкой керамикой. Полнота сгорания топлива обеспечивается его дисперсностью и качеством смешивания с воздухом. При попадании топлива в горячие каналы перетока и на раскаленную газопроницаемую керамику происходят сложные процессы его преобразования, начиная с испарения, расщепления на более простые углеводороды, смешивания с воздухом, воспламенения, сгорания и т.д. Наличие горячей газопроницаемой керамики в канале перетока способствует более полному сгоранию топлива и улучшению экономичности ГДВС.

Седьмое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что каналы перетока имеют активатор. Качество сгорания топлива определяется его предварительной подготовкой к сгоранию с выделением тепла. Мелкодисперсное распыление топлива является лишь простейшей его первичной механистической подготовкой перед сжиганием. Лучшее качество подготовки топлива обеспечивает его испарение на низкотемпературной поверхности. Еще лучше - горячая газопроницаемая керамика, которую можно рассматривать в качестве автономного активатора. Более качественную подготовку топлива к сгоранию на квантовомеханическом уровне, а также в ходе горения топлива, могут осуществлять активаторы воздействием электрического поля, радио- и/или сверхвысокочастотного и/или оптоквантового поля на топливо-воздушную смесь. В результате обеспечивается полнота сгорания топлива и улучшение экономичности ГДВС.

Восьмое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что каналы перетока имеют топливную форсунку и/или форсунку подачи дополнительного рабочего тела. Экономичность ДВС во многом определяется полнотой сгорания топлива. Дополнительное рабочее тело, например, вода или водяной пар, при высокой температуре способно к реакции с углеводородами топлива с образованием так называемого «синтез-газа», содержащего водород и угарный газ. Эти газы способны окисляться с выделением дополнительного количества тепла. Наличие такого «синтез-газа» обеспечивает улучшение экономичности ГДВС.

Девятое дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что топливная форсунка и/или форсунка подачи дополнительного рабочего тела имеют теплообменник(и). Высокотемпературный подогрев топлива и дополнительного рабочего тела/воды/пара с помощью теплообменников обеспечивает увеличение квантово-энергерического состояния реагентов и качественную подготовку топлива к сгоранию. В результате взаимодействия горячего топлива и перегретого «острого» пара на раскаленных порах термостойкой керамики в каналах перетока образуется энергонасыщенная топливовоздушная смесь. Она обеспечивает качественное сгорание топлива и экономичную работу ГДВС.

Десятое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что топливная форсунка и/или форсунка подачи дополнительного рабочего тела расположены между впускным каналом и каналом перетока. В результате расположения топливной форсунки и/или форсунки подачи дополнительного рабочего тела в непосредственной близи от входа канала перетока можно обеспечить высокую степень сжатия ГДВС (близкую к дизельной) без риска детонации топлива. Кроме того, обеспечивается хорошее смесеобразование в результате процесса интенсивной инжекции топливо-воздушной смеси с высокой турбулентностью в канал перетока/камеру сгорания. Все это вместе взятое улучшает экономичность ГДВС. При этом такое конструктивное решение обеспечивает изоляцию сопла топливной форсунки от высокотемпературного газа. Это весьма целесообразно, потому что даже при незначительном «подтекании» топлива из форсунки ее сопло может закоксоваться при контакте с высокотемпературным газом. Это приводит к неработоспособности ДВС.

Одиннадцатое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что впускной канал ДВС содержит топливную форсунку и/или форсунку подачи дополнительного рабочего тела. Внешнее смесеобразование в сочетании с подачей дополнительного рабочего тела обеспечивает лучшее качество смеси по сравнению с внутренним благодаря большему периоду времени протекания процесса смесеобразования. При этом дополнительное увеличение массы рабочего тела улучшает эффективность работы ДВС и его экономичность благодаря расширению газов с большим давлением и до большего объема.

Двенадцатое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что впускной канал ДВС содержит активатор, расположенный между впускным каналом и топливной форсункой и/или форсункой подачи дополнительного рабочего тела. Наличие активатора во впускном канале ГДВС обеспечивает увеличение квантово-энергетического состояния топливовоздушной смеси и ее качественную подготовку к наиболее полному сгоранию топлива. В конечном итоге это улучшает экономичность работы ГДВС.

Тринадцатое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что во впускном канале установлены турбокомпрессор с интеркуллером, расположенные между оснащенным активатором впускным каналом и топливной форсункой и/или форсункой подачи дополнительного рабочего тела. При подаче дополнительного рабочего тела и/или топлива на вход турбокомпрессора получающаяся топливо- воздушная смесь получает хорошую первичную механистическую обработку в аспекте ее диспергации. При этом интеркулер обеспечивает ее охлаждение и большую плотность рабочего тела на входе в двигатель. Это нужно для обеспечения высоких удельных показателей ГДВС по мощности без увеличения внутренних потерь на трение. Далее активатор осуществляет дополнительную квантово-энергетическую подготовку топливовоздушной смеси к сгоранию. Все это вместе взятое обеспечивает полноту сгорания топлива и улучшение экономичности работы ГДВС.

Четырнадцатое дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что турбокомпрессор снабжен транспортером для удаления пыли. ГДВС могут эксплуатироваться в самых разнообразных условиях, включая пыльные дороги и песчаные бури. Попадание абразивных частиц с топливовоздушной смесью в рабочую полость ГДВС приводит к нарушению нормальной работы компрессионных уплотнений, повышенному трению, ухудшению экономичности работы двигателя и даже к его поломке. Турбокомпрессор может эффективно осуществлять функцию центробежного фильтра частиц пыли при ее своевременном удалении из него. Это делает транспортер пыли. Удаление пыли из топливо-воздушной смеси обеспечивает уменьшение потерь на трение компрессионных уплотнений и улучшение экономичности ГДВС.

Пятнадцатое дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что входные лопатки турбокомпрессора имеют абразивостойкое покрытие Входные лопатки турбокомпрессора вращаются с большой скоростью. Поэтому они могут получать повреждения при попадании на них частиц пыли и даже капель воды.

Более того, материал абразивного износа лопаток турбокомпрессора сам может стать причиной неполадок ГДВС. Покрытие резиноподобным абразивостойким покрытием передних кромок лопаток турбокомпрессора предотвращает их повреждение и обеспечивает нормальную работу компрессионных уплотнений с минимальными потерями на трение Это улучшает экономичность ГДВС.

Краткое описание чертежей

Далее сущность изобретения - в основном на минимальных примерах - поясняется описанием вариантов конструкции ГДВС со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:

фигурах 1, 9-12 - РПМ с планетарным механизмом для частного случая значения передаточного отношения планетарного зубчатого зацепления i=(4+1)/4 (где 4 - это количество лопастных поршней на каждом из валов РПМ). В общем случае i=(п+1)/п, (где п=2, 3, 4, 5 и т.д., при этом п - это количество лопастных поршней на каждом из валов РПМ), как основы конструкции РПМ объемного расширения различного назначения (например, двигателей внутреннего сгорания);

фигурах 2-8 - ряд последовательных положений звеньев кинематического механизма для пояснения его работы;

фигурах 9-12 - ряд последовательных положений лопастных поршней РПМ при ее работе в качестве РПДВС;

фигуре 13 - штуцер лубрикатора для подачи масла в рабочую полость;

фигуре 14 - односекционный ГДВС с горообразной рабочей полостью;

фигурах 15-17 - двухсекционный ГДВС и аппроксимированные графики крутящего момента;

фигурах 18-22 - двухсекционный ГДВС и его компрессорная и расширительная секции;

фигурах 23-30 варианты конструкций каналов перетока ГДВС; фигуре 31 - ГДВС с внутренним смесеобразованием;

фигурах 32-35 - варианты конструкций ГДВС с внешним смесеобразованием;

фигуре 36 - турбокомпрессор с транспортером удаления пыли. На чертежах схематически изображены:

на фиг.1 показан продольный разрез ГДВС с его планетарным механизмом на примере РПДВС в качестве машины объемного расширения;

на фигурах 2-8 показана работа планетарного механизма при передаточном отношении зубчатого зацепления i=5/4 для различного углового положения лопастных поршней и звеньев кинематической цепи их привода в зависимости от текущего положения эксцентриситета эксцентрика выходного вала, а именно:

водила с закрепленным на нем планетарным зубчатым колесом.

Они оба установлены на эксцентрике выходного вала. Их ось обозначена литерой Q, плечи водила обозначены литерами А и В, рычаги соосных рабочих валов обозначены литерами СО и DO.

Эксцентриситет эксцентрика условно обозначен прямой/стержнем OQ, а литерой О обозначена ось выходного и соосных рабочих валов, а также ось круговой рабочей полости РПМ;

пары шатунов, обозначенных прямыми/стержнями АС и BD, соединяющих упомянутое водило АВ с рычагами СО и DO соосных рабочих валов - и соответствующие им положения:

фиг.2 - исходное угловое положение лопастных поршней и звеньев их кинематического привода при условно исходном (нижнем) угловом положении эксцентрика выходного вала 0° (360°, 720° и т.д.) и горизонтальном положении водила АВ;

фиг.3 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 45° по часовой стрелке (405°, 765° и т.д.);

фиг.4 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 90°;

фиг.5 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 135°;

фиг.6 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 180°;

фиг.7 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 225°;

фиг.8 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 450°;

фиг.9 - положение текущих объемов РПМ при сомкнутых гранях лопастных поршней РПМ (условно начальное положение лопастных поршней РПМ при 0° (360°, 720° и т.д.));

фиг.10 и фиг.11 - положение текущих объемов РПМ при динамическом изменении текущих объемов РПМ в промежутке вращения выходного вала больше 0° (360°, 720° и т.д.) и менее 225°;

фиг.12 - положение текущих объемов РПМ при сомкнутых лопастных поршнях РПМ (положение выходного вала кратное 225°) для случая передаточного соотношения планетарного зацепления i=(4+1)/4 при 4-х лопастных поршнях на каждом из рабочих валов;

фиг.13 - штуцер лубрикатора для подачи масла в рабочую полость; фиг.14 - односекционный ГДВС с горообразной рабочей полостью; фиг.15 - двухсекционный ГДВС с горообразными рабочими полостями;

фиг.16 и 17 - аппроксимированная графика вращательного момента одинсекцонного и двухсекционного ГДВС соответственно;

фиг.18 - двухсекционный ГДВС с горообразными рабочими полостями разного объема;

фиг.19-20 - текущее угловое положение лопастных поршней при работе компрессорной секции;

фиг.2-22 - текущее угловое положение лопастных поршней при работе расширительной секции;

фиг.23 и 24 - каналы перетока одинсекцищнного и двухсекционного ГДВС соответственно, которые футерованы/заполнены пористой газопроницаемой термостойкой керамикой;

фиг.25 и 26 - каналы перетока одинсекционного и двухсекционного ГДВС соответственно, которые оснащены активатором; фиг.27 и 28 - каналы перетока одинсекционного и двухсекционного ГДВС соответственно, которые оснащены пористой керамикой, топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.29 и 30 - каналы перетока одинсекционного и двухсекционного ГДВС соответственно, которые оснащены пористой керамикой и теплообменником(и), топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.31 - фрагмент ГДВС с расположенными в корпусе между впускным каналом и каналом перетока топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.32 - фрагмент ГДВС с расположенными во впускном канале топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.33 - фрагмент ГДВС с расположенными во впускном канале активатором, топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.34 - фрагмент ГДВС с расположенными во впускном канале активатором, интеркулером, турбокомпрессором, топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.35 - фрагмент ГДВС с подключенными к впускному каналу активатором, интеркулером, турбокомпрессором с транспортером удаления пыли, топливной форсункой и форсункой подачи дополнительного рабочего тела;

фиг.36 - турбокомпрессор с транспортером удаления пыли.

На фиг.1, 14 и 15 стрелками показано преобладающее направление движения отработанных газов из выпускного канала РПДВС. На фиг.19, 21, 23, 25, 27, 29 стрелками показано преобладающее направление движения рабочего тела/газа относительно канала перетока.

Наилучшие варианты осуществления изобретения

Здесь и далее для нужд описания роторно-поршневой машины объемного расширения и ее кинематического механизма схематически показаны:

корпус 1, имеющий круговую рабочую полость;

внешний рабочий вал 2;

внутренний рабочий вал 3;

рычаги 4 внешнего и внутреннего рабочих валов 2 и 3;

осесимметричные лопастные поршни 5 и 6, соответственно жестко установленные на соосных рабочих валах 2 и 3. Лопастные поршни 5 и 6 имеют радиальные и торцовые уплотнительные элементы (особо не обозначенные и не выделенные);

выходной вал 7, графически обозначенный на фиг.1, 14, 15 и 18 толстой линией;

эксцентрик 8 выходного вала 7, графически обозначенный на фиг.1, 14, 15 и 18 в виде колена;

водило 9, установленное на эксцентрике 8 выходного вала 7;

шатуны 10, соединяющие водило 9 с рычагами 4;

планетарное зубчатое колесо 11, жестко связанное с водило 9; неподвижное центральное зубчатое колесо 12, находящееся в зацеплении с планетарным колесом 11 и соосное: рабочим валам 2 и 3, выходному валу 7 и рабочей полости корпуса(секции) 1;

зубчатое колесо 13, жестко закрепленное на выходном валу 7;

маховик/балансир 14, служащий для балансировки масс эксцентрика 8, водила 9 и планетарного колеса 11, шатунов 10;

стартер 15, закрепленный на корпусе 1;

обгонная муфта 16;

зубчатое колесо 17, закрепленное на обгонной муфте 16 и находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 13;

впускной канал 18, соединенный с рабочей полостью корпуса (секции) 1;

выпускной канал 19, также соединенный с рабочей полостью корпуса (секции) 1;

карбюратор 20 (используемый только для случая внешнего смесеобразования);

электрическая свеча 21;

стенки 22 полости охлаждения корпуса (секции) 1;

канал перетока 23, примыкающий к рабочей полости корпуса (секции) 1;

масляный штуцер 24;

гидропроницаемый материал 25 штуцера 24;

теплоизолятор 26;

газопроницаемая термостойкая керамика 27;

активатор 28;

топливная форсунка 29;

форсунка 30 подачи дополнительного рабочего тела;

теплообменник 31;

турбокомпрессор 32;

интеркулер 33;

транспортер пыли 34;

общий корпус 35 турбокомпрессора 32 и транспортера пыли 34; крыльчатка 36 турбокомпрессора

32;

кольцевой канал 37 для отвода пыли;

шнек и/или спиральная пружина 38;

привод 39 транспортера шнека и/или спиральной пружины 38;

бункер 40 с пылью.

Работа планетарного механизма роторно-поршневой машины объемного расширения далее рассматривается на примере работы простейшего РПДВС, имеющего передаточное отношение планетарной зубчатой пары i=5/4 (см. фиг.1) и по 4 лопастных поршня 5 и 6, установленных в рабочей полости корпуса(секции) 1 на обоих соосных валах 2 и 3. При пуске РПДВС стартер 15 получает электропитание. Поэтому он через обгонную муфту 16 и зубчатое колесо 7 приводит во вращение зубчатое колесо 13 и далее жестко соединенный с ним выходной вал 7, который конструктивно выполнен заодно с эксцентриком 8. Так как на эксцентрике 8 на подшипнике (который отдельно не обозначен) установлено водило 9 с жестко соединенным с ним планетарным зубчатым колесом 11, то их общая ось (обозначенная литерой Q) получает вращательное движение вокруг оси О. При этом точка зацепления планетарного колеса 11 с неподвижным центральным зубчатым колесом 12 является точкой «нулевой» мгновенной скорости для планетарного колеса 11 и водила 9. Далее движение от водила 9 посредством шатунов 10 передается рычагам 4 рабочих валов 2 и 3, на которых закреплены лопастные поршни 5 и 6. В результате этого они начинают совершать вращательно-колебательное движение в круговой рабочей полости РПМ.

Такое движение является результатом постоянного изменения углового положения и расстояния плеч водила 9 относительно «нулевой» точки мгновенных скоростей, которой является точка сопряжения делительных окружностей планетарной зубчатой передачи. Шатуны 10 осуществляют кинематическую связь плеч водила 9 с рычагами 4 соосных рабочих валов 2 и 3. Этим обеспечивается вращательно-колебательное движение лопастных поршней 5 и 6. При этом выходной вал 7 с эксцентриком 8, водило 9 и рабочие валы 2 и 3 с лопастными поршнями 5 и 6 вращаются в одном направлении. Так обеспечивается минимальная разность угловых скоростей (и соответственно - линейных перемещений) в парах трения такого кинематического механизма РПМ с целью минимизации затрат полезной энергии на фрикционные потери. Это необходимо для улучшения экономичности двигателя.

На фиг.2 показано условно исходное положение 0° выходного вала 7 (в виде точки О) с эксцентриком 8 (в виде точки Q). Ему соответствует положение планетарного зубчатого колеса 1 с водилом 9, шатунов 10 и рычагов 4 роторов-поршней 5 и 6 относительно неподвижного центрального зубчатого колеса 12 и корпуса (секции) 1. Эксцентриситет эксцентрика 8 выходного вала 7 обозначен линией/стержнем OQ и занимает нижнее исходное вертикальное положение (ось Q на фиг.2 находится внизу относительно оси О валов 2, 3 и 7). При этом водило 9 занимает горизонтальное положение и обозначено литерами АВ. Кинематическая связь между водилом 9 и рычагами 4 рабочих валов 2 и 3 осуществляется шатунами 10, обозначенными на фиг.2 прямыми/стержнями АС и BD. В исходном положении лопастные поршни 5 и 6 располагаются симметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей фиг.2. При этом расстояние между их гранями минимально.

Далее выходной вал 7 с эксцентриком 8 начинает осуществлять вращательное движение по часовой стрелке вокруг оси О. Тогда, в силу кинематических связей, по неподвижному центральному зубчатому колесу 12 перекатывается планетарное зубчатое колесо 11, которое закреплено на водиле 9, установленном на эксцентрике 8. Этим обеспечивается постоянное изменение движения плеч QA и QB водила 9 (как по направлению так и по величине скорости) относительно «нулевой» точки мгновенных скоростей. Этой точкой является точка сопряжения д