Циклоидный роторный двигатель (варианты)

Циклоидный роторный двигатель (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Приоритет

[0001] Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет на основе предварительной патентной заявки US №61/469,009, поданной 29.03.2011 г. и имеющей название "Циклоидный роторный двигатель" и авторов изобретения Николай Школьник и Александр С. Школьник, описание данной заявки полностью включено в настоящую заявку путем ссылки.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к двигателям, в частности к роторным двигателям.

Уровень техники

[0003] Роторные двигатели перспективны с точки зрения высокой эффективности, высокой удельной мощности и малого количества деталей, вследствие чего данная область привлекла многих специалистов. Среди множества конфигураций, известных из уровня техники, одна из самых простых и многообещающих разработок основана на героторной концепции. Со ссылкой на фиг. 1(a)-1(d), где изображена известная технология, и более конкретно на фиг. 1(a), геротор включает внешний ротор, установленный с возможностью вращения в полости корпуса (корпус не показан) и имеющий профиль внутреннего зацепления, и внутренний ротор с профилем внешнего зацепления. Во время его работы оба ротора, внешний и внутренний, вращаются в корпусе, формируя множество последовательных полостей переменного объема. Эти полости могут быть использованы для выполнения сжатия или расширения газа в компрессорах/пневмомоторах/двигателях или движения жидкостей в насосах/гидродвигателях. В качестве альтернативной конфигурации для внешнего ротора он может быть неподвижным, при этом внутренний ротор колеблется и приводится в движение валом эксцентрика. Формируемые таким образом полости с переменным объемом ведут себя аналогично с первой конфигурацией. Потери на трение, связанные с такой конструкцией, могут быть уменьшены путем использования конструкции геротора с роликовыми направляющими, показанной на фиг. 1(b). Для избежания прямого контакта между внешним и внутренним роторами в конструкцию введены ролики для формирования полостей переменного объема. Во всех этих конфигурациях внешний ротор используется не только для формирования полостей, но также для направления внутреннего ротора.

[0004] При наличии очень малого числа движущихся частей совсем не удивительно, что такая простая конструкция привлекла внимание многих специалистов, попытавшихся спроектировать роторный двигатель на ее основе. Однако главной проблемой, встающей перед всеми роторными двигателями, является сложность уплотнения рабочей текучей среды во время рабочих тактов сжатия, сжигания и расширения в двигателях. Хотя теоретически большинство двигателей в теории представляются осуществимыми, поскольку они полностью окружают рабочую текучую среду в конструкциях без использования уплотнительных элементов, на практике при принятии во внимание допусков на обработку и тепловое расширение, а также когда части начинают изнашиваться, уплотнение рабочей текучей среды без уплотнительных элементов является невозможным. Наиболее известная конструкция двигателя на основе геротора и единственно производимая - это двигатель Ванкеля, в котором ротор с тремя выступающими частями движется внутри корпуса с двумя выступающими частями, как показано на фиг. 1(c). Этот двигатель стал сравнительно успешным по двум главным причинам. Во-первых, внешний ротор не был использован для направления внутреннего ротора, а вместо этого для синхронизации движения и вращения внутреннего ротора с движением вала эксцентрика была использована пара зубчатых передач. Во-вторых, промежуток между внутренним ротором и внешним ротором, который имеется для обеспечения производственных допусков, теплового расширения и износа, был уплотнен решеткой из уплотнений, известных как "решетка Ванкеля" и состоящих из торцевых уплотнительных элементов, расположенных на плоской части ротора, вершинных уплотнительных элементов, расположенных в каждой вершине ротора, а также "заглушек", которые соединяют оба этих типа уплотнительных элементов; при этом все эти уплотнительные элементы расположены на роторе и поэтому движутся с ним. Вместе с самим ротором и корпусом в теории эти уплотнительные элементы полностью охватывали рабочую текучую среду. Но на практике между уплотнительными элементами или уплотнительными элементами и ротором и уплотнительными элементами и корпусом все еще остаются промежутки, но они сравнительно малы, их можно контролировать и можно обеспечить работу двигателя. В связи с этим хорошо известно, что эти двигатели имеют сравнительно малую эффективность, большой выброс, и поэтому они не подходят для режима работы с воспламенением от сжатия по следующим причинам.

[0005] 1. Сравнительно высокая степень протечек несмотря на наличие уплотнительной решетки. Например, в протечки вносит вклад подпрыгивание быстро движущихся вершинных уплотнительных элементов, а также и отверстий в двигателе для вмещения свечи (свеч) зажигания.

[0006] 2. Большое перемещение уплотнительных элементов.

[0007] 3. Высокие тепловые потери, вызываемые очень большим отношением поверхности к объему у камеры сгорания в момент наибольшего сжатия.

[0008] 4. Малый геометрически достижимый коэффициент сжатия.

[0009] 5. Необходимость измерять масло в рабочей камере для смазывания вершинных уплотнительных элементов, которые не могут получить смазку другим образом, и наличие отверстия, через которое это масло выпускается, вызывая проблемы, связанные с выпуском.

[0010] Теоретически героторные двигатели с неподвижным внешним ротором имеют только одну главную движущуюся часть - ротор. Этот ротор, движущийся внутри корпуса, формирует полости с изменяемой геометрией, которые сужаются и расширяются при вращении ротора. Уплотнительный элемент выполняется по умозрительной линии контакта между ротором и корпусом, и такой контакт должен произойти по меньшей мере в двух местах. Вообще героторы выполняют так, чтобы они имели очень небольшой скользящий контакт между ротором и корпусом, хотя были предприняты попытки осуществить "качение без скольжения" - как к примеру, для этого можно обратиться к патенту US 7,520,738, выданному Katz. Другой пример описан в патенте US 5,373,819, выданном Rene Linder, в котором для направления ротора в корпусе использованы ролики вместе с эксцентриком. Еще один пример описан в патенте RU 2078221 С1, выданном Веселовскому, в котором используются уплотнительные элементы в корпусе. На практике, как указано выше, по причине производственных допусков и теплового расширения разработчики оставляют сравнительно большой промежуток между ротором и корпусом или ротором и роликами. Если корпус и ротор являются жесткими или если ролики не могут учитывать тепловое расширение или предварительную нагрузку вследствие производственного допуска, уплотнительный элемент не может быть выполнен. Таким образом, не имеет смысла говорить исключительно о контакте качения между ротором и корпусом. Этот промежуток должен быть закрыт тем или иным образом посредством уплотнительных элементов для обеспечения работоспособного двигателя.

Раскрытие изобретения

[0011] Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения предложен циклоидный роторный двигатель, содержащий циклоидный ротор, который имеет N выступающих частей, и корпус, имеющий соответствующий набор N+1 областей, принимающих выступающие части, для последовательного принятия выступающих частей при вращении ротора вокруг своей оси и относительно корпуса, причем корпус содержит (i) пару сторон, расположенных в осевом направлении на первой и второй сторонах ротора, (ii) пик, расположенный между каждой парой соседних областей, принимающих выступающие части, и (iii) впускное отверстие и выпускное отверстие, причем двигатель также содержит: множество пиковых уплотнительных элементов, по меньшей мере один из которых расположен на каждом пике и выполнен с возможностью поддерживания контакта с ротором на всем протяжении цикла вращения ротора, причем каждый пиковый уплотнительный элемент радиально смещен от ротора на всем протяжении вращения ротора, за счет циклоидной геометрии ротора и областей, принимающих выступающие части, первый канал, заданный в роторе для обеспечения сообщения циклически между впускным отверстием и рабочей камерой, причем рабочая камера задана как область, расположенная между двумя пиковыми уплотнительными элементами, корпусом и ротором, второй канал, отличный от первого канала и заданный в роторе для обеспечения сообщения циклически между выпускным отверстием и рабочей камерой, первый торцевой уплотнительный элемент, расположенный между первой стороной и ротором и выполненный с возможностью запечатывания рабочей камеры, второй торцевой уплотнительный элемент, расположенный между второй стороной и ротором и выполненный с возможностью запечатывания рабочей камеры, причем каналы и торцевые уплотнительные элементы выполнены с возможностью обеспечения поддерживания контакта каждым торцевым уплотнительным элементом с ротором и одной из сторон при всех угловых положениях ротора, при этом избегая взаимодействий с любым из указанных отверстий, а при первом угле ротора в корпусе рабочая камера формирует камеру сжатия, имеющую максимальный объем, а при втором угле ротора в корпусе рабочая камера формирует расширительную камеру, имеющую максимальный объем, причем максимальный объем расширительной камеры больше или равен однократному максимальному объему камеры сжатия.

[0012] Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения каждый пиковый уплотнительный элемент имеет область контакта с ротором, причем область контакта выполнена криволинейной и имеет радиус кривизны, равный радиусу кривизны теоретического ролика, который однозначно задан геометрией ротора и геометрией областей, принимающих выступающие части.

[0013] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения ротор имеет первую осевую грань, параллельную ей вторую осевую грань и цилиндрическую поверхность, расположенную между первой и второй осевыми гранями и перпендикулярную им, причем первая осевая грань и радиальная грань определяют первую кромку ротора, а вторая осевая грань и радиальная грань определяют вторую кромку ротора, при этом первый торцевой уплотнительный элемент расположен у первой кромки ротора.

[0014] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения второй торцевой уплотнительный элемент расположен у второй кромки ротора.

[0015] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения ротор имеет первую осевую грань, параллельную ей вторую осевую грань и цилиндрическую поверхность, расположенную между первой и второй осевыми гранями и перпендикулярную им, причем первая осевая грань и радиальная грань определяют первую кромку ротора, а первый торцевой уплотнительный элемент расположен на первой осевой грани, смещенной от первой кромки ротора, так чтобы определять первую кольцевую площадку на первой осевой грани между первой кромкой и первым торцевым уплотнительный элементом, при этом указанный двигатель дополнительно содержит заглушечный уплотнительный элемент, расположенный так, чтобы контактировать с ротором и первым торцевым уплотнительный элементом у первой кольцевой площадки.

[0016] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения первый торцевой уплотнительный элемент расположен у внешней кромки ротора, причем внешняя кромка ротора задана пересечением осевой грани ротора с радиальной гранью ротора, и выполнен с возможностью предотвращения вытекания рабочего вещества через осевую грань ротора

[0017] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения максимальный объем расширительной камеры является по меньшей мере трехкратным максимальным объемом камеры сжатия.

[0018] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения двигатель дополнительно содержит множество каналов для смазки по меньшей мере в одной из сторон, причем каждый канал для смазки из указанного множества расположен так, чтобы подавать смазывающее вещество к соответствующему пиковому уплотнительному элементу из множества пиковых уплотнительных элементов.

[0019] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения двигатель дополнительно содержит канал для смазки по меньшей мере в одной из сторон, расположенный так, чтобы постоянно подавать смазывающее вещество к соответствующему одному из торцевых уплотнительных элементов.

[0020] Также предложен циклоидный роторный двигатель типа, содержащий ротор, который имеет N выступающих частей, и корпус, имеющий соответствующий набор N+1 областей, принимающих выступающие части, для последовательного принятия выступающих частей при вращении ротора вокруг своей оси и движения по орбите вокруг оси относительно корпуса, причем корпус содержит (i) пару сторон, расположенных в осевом направлении на первой и второй сторонах ротора, (ii) пик, расположенный между каждой парой соседних областей, принимающих выступающие части, и (iii) впускное отверстие и выпускное отверстие, причем двигатель также содержит: первый канал, заданный в роторе для обеспечения сообщения циклически между впускным отверстием и рабочей камерой, причем рабочая камера задана как область, расположенная между двумя пиковыми уплотнительными элементами, корпусом и ротором, второй канал, отличный от первого канала и заданный в роторе для обеспечения сообщения циклически между выпускным отверстием и рабочей камерой, уплотнительную решетку, содержащую множество пиковых уплотнительных элементов, по меньшей мере один из которых расположен на каждом пике и выполнен с возможностью поддерживания контакта с ротором, причем такой пиковый уплотнительный элемент радиально смещен от ротора, и один из элементов, включающих: торцевой уплотнительный элемент, расположенный на роторе, выполненный с возможностью поддерживания контакта со сторонами корпуса, и смещенный в осевом направлении от стороны корпуса, причем на протяжении вращения указанный торцевой уплотнительный элемент не пересекает впускное или выпускное отверстие, и 2×(N+1) заглушечных уплотнительных элементов, один для каждой стороны каждого пика, расположенных в пределах стороны корпуса, смещенных в осевом направлении в сторону ротора и выполненных с возможностью поддерживания контакта с пиковым уплотнительным элементом и торцевым уплотнительным элементом, и торцевой уплотнительный элемент, расположенный на роторе, выполненный с возможностью поддерживания контакта со сторонами корпуса и скошенным участком ротора и смещенный в осевом направлении от стороны корпуса, причем отверстия, каналы и торцевой уплотнительный элемент выполнены с возможностью обеспечивать поддерживание контакта указанным торцевым уплотнительным элементом с ротором и одной из сторон при всех угловых положениях ротора, при этом избегая пересечения указанным торцевым уплотнительным элементом любого из отверстий, а при первом угле ротора в корпусе рабочая камера формирует камеру сжатия, имеющую максимальный объем, а при втором угле ротора в корпусе рабочая камера формирует расширительную камеру, имеющую максимальный объем,

причем максимальный объем расширительной камеры больше или равен однократному максимальному объему камеры сжатия.

[0021] Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения торцевой уплотнительный элемент представляет собой проволочный уплотнительный элемент.

[0022] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения торцевой уплотнительный элемент расположен у кромки ротора, причем кромка задана пересечением осевой грани ротора с радиальной гранью ротора.

[0023] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения профиль торцевого уплотнительного элемента сформирован в виде циклоидной кривой, в которой радиус теоретического ролика, используемого для формирования циклоидной кривой, представляет собой радиус заглушки в заглушенном уплотнительном элементе.

[0024] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения ротор имеет циклоидную геометрию, заданную набором N+1 теоретических роликов, причем каждый пиковый уплотнительный элемент имеет область контакта с ротором, при этом область контакта выполнена криволинейной и имеет радиус кривизны, приблизительно равный радиусу кривизны теоретического ролика, который заменяет пиковый уплотнительный элемент.

[0025] Также предложен циклоидный роторный двигатель, содержащий корпус, который имеет рабочую полость и сообщающуюся с ней по текучей среде камеру сгорания, поршень, расположенный на корпусе и выполненный с возможностью регулируемого введения в камеру сгорания и извлечения из нее, ротор, установленный с возможностью вращения в рабочей полости, так чтобы формировать рабочую камеру переменного объема с корпусом при различных углах вращения ротора в рабочей полости, а при первом угле ротора в корпусе рабочая камера формирует камеру сжатия, имеющую максимальный объем, а при втором угле ротора в корпусе рабочая камера формирует расширительную камеру, имеющую максимальный объем, причем максимальный объем расширительной камеры больше или равен однократному максимальному объему камеры сжатия, и блок управления, синхронизированный с углом вращения ротора для обеспечения регулируемого введения поршня в камеру сгорания и извлечения из нее, так чтобы обеспечить постоянный размер комбинированной области рабочей камеры и камеры сгорания на всем диапазоне углов вращения ротора.

[0026] Также предложен циклоидный роторный двигатель содержащий корпус, имеющий рабочую полость, вал, имеющий внецентровой участок, ротор, имеющий первую осевую грань и противоположную ей вторую осевую грань, причем ротор расположен на внецентровом участке и в рабочей полости и содержит первый кулачок на первой осевой грани, который имеет эксцентриситет, соответствующий эксцентриситету внецентрового участка вала, а при первом угле ротора в корпусе рабочая камера формирует камеру сжатия, имеющую максимальный объем, а при втором угле ротора в корпусе рабочая камера формирует расширительную камеру, имеющую максимальный объем, причем максимальный объем расширительной камеры больше или равен однократному максимальному объему камеры сжатия, крышку, выполненную заодно с корпусом или закрепленную с ним и содержащую множество роликов, каждый из которых взаимодействует с кулачком, причем кулачок направляет вращение ротора, когда ротор вращается в рабочей полости и движется по орбите вокруг вала.

[0027] Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения роторный двигатель дополнительно содержит второй кулачок на второй осевой грани ротора.

Краткое описание чертежей

[0028] Указанные особенности вариантов реализации могут быть более понятны из последующего описания со ссылками на чертежи.

[0029] На фиг. 1(a)-1(d) схематически изображены известные роторные двигатели, использующие героторы.

[0030] На фиг. 2(a)-2(b) схематически изображен вариант реализации циклоидного роторного двигателя.

[0031] На фиг. 3 схематически изображен вариант реализации циклоидного роторного двигателя в различных точках при выполнении цикла двигателя.

[0032] На фиг. 4(a)-4(d) схематически изображены формы компонентов циклоидного двигателя.

[0033] На фиг. 5 схематически изображены различные компоненты варианта реализации циклоидного роторного двигателя.

[0034] На фиг. 6 схематически изображен ротор в сборке согласно варианту реализации циклоидного ротора.

[0035] Фиг. 7(a)-7(d) иллюстрируют взаимодействие между вариантами корпусов двигателя и впускными и выпускными каналами в роторе.

[0036] На фиг. 8(a)-8(b) схематически изображены варианты реализации уплотнительной решетки, а также вариант реализации поршня камеры сгорания.

[0037] На фиг. 9 схематически изображено положение торцевого уплотнительного элемента относительно впускных отверстий при различных углах ротора.

[0038] На фиг. 10(a) и 10(b) схематически изображены варианты реализации торцевых уплотнительных элементов.

[0039] На фиг. 11(a)-11(c) схематически изображены варианты реализации торцевых уплотнительных элементов.

[0040] На фиг. 12(a)-12(g) схематически изображены варианты реализации компонентов уплотнительной решетки.

[0041] На фиг. 13(a)-13(g) схематически изображены варианты реализации торцевых уплотнительных элементов.

[0042] На фиг. 14 схематически изображен вариант реализации торцевых уплотнительных элементов.

[0043] На фиг. 15(a)-15(c) схематически изображены варианты реализации компонентов уплотнительной решетки.

[0044] На фиг. 16(a)-16(d) схематически изображены варианты реализации компонентов уплотнительной решетки.

[0045] На фиг. 17 схематически изображен вариант реализации пиковых уплотнительных элементов.

[0046] На фиг. 18 схематически изображен вариант реализации пиковых уплотнительных элементов.

[0047] На фиг. 19(a)-19(b) схематически изображен вариант реализации пиковых уплотнительных элементов.

[0048] На фиг. 20(a)-20(c) схематически изображены варианты реализации пиковых уплотнительных элементов.

[0049] На фиг. 21 схематически изображен вариант реализации корпуса и ротора героторного двигателя.

[0050] На фиг. 22(a)-22(c) схематически изображен вариант реализации героторного двигателя.

[0051] На фиг. 23 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0052] На фиг. 24 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0053] На фиг. 25 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0054] На фиг. 26 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0055] На фиг. 27 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0056] На фиг. 28 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0057] На фиг. 29(a)-29(b) схематически изображены варианты реализации ротора для роторного двигателя.

[0058] На фиг. 30(a)-30(c) схематически изображен вариант реализации роторного двигателя.

[0059] На фиг. 31 схематически изображен вариант реализации ротора для роторного двигателя.

[0060] На фиг. 32(a)-32(f) схематически изображены положения ротора во время выполнения цикла двигателя.

Осуществление изобретения

[0061] Различные варианты реализации обеспечивают роторные двигатели, функционирующие с лучшей эффективностью и меньшими выбросами отработавших газов, чем стандартные поршневые или роторные двигатели. Эти особенности обеспечивают улучшенную топливную экономичность и также делают двигатели более безвредными для окружающей среды, чем стандартные роторные двигатели, такие как, например, роторный двигатель Ванкеля, используемый десятилетиями корпорацией Mazda.

[0062] В отличие от ранее существовавших двигателей внутреннего сгорания, в приведенных вариантах реализации использован циклоидный (или циклоидальный) ротор, вращающийся в пределах неизменного корпуса.

[0063] В настоящем описании и формуле изобретения использованы следующие термины, имеющие следующий смысл, если по контексту не следует иное.

[0064] Циклоидный: термин "циклоидный" относится к геометрии ротора в некоторых вариантах роторного двигателя. Ротор (который может быть описан как "циклоидный диск") имеет выступающие части в количестве Z1. Геометрия ротора основана на Z2 теоретических роликов, причем Z2=Z1+1 и теоретические ролики имеют радиус Rr и расположены на расстояние R от центральной точки.

[0065] Профиль ротора (циклоидного диска) может быть математически сгенерирован с использованием формул, полученных Shin и Kwon [см. Shin, J.Н. и Kwon, S.М., 2006, "On the Lobe Profile Design in a Cycloid Reducer Using Instant Velocity Center," Mech. Mach. Theory, 41, стр. 596-616]:

где φ - угол входного вала, а ψ - угол контакта между циклоидной выступающей частью и роликом, который определяется как:

[0066] Роторный двигатель или даже роторный компрессор может быть выполнен с использованием этой геометрии для любого Z1 от 1 до бесконечности. Например, в различных вариантах реализации, описанных ниже, имеются роторы, в которых Z1=2 и Z2=3, причем также может быть использовано любое Z1 и настоящая заявка не ограничена двигателями, но также применима к компрессорам, насосам и гидравлическим или пневматическим моторам.

[0067] Максимальный объем камеры сжатия: максимальный объем камеры сжатия - это объем камеры сжатия (которая является рабочей камерой в той фазе цикла двигателя, когда рабочее вещество в рабочей камере новое, например воздух, и оно сжимается перед сжиганием) в точке цикла двигателя, когда в камере первое отсоединение от окружающей среды вне двигателя, например в двигателе 200 максимальный объем камеры сжатия - это объем этой камеры сразу после перекрытия впускного прохода, так что больше нет канала для текучей среды от камеры сжатия в окружающую среду вне корпуса двигателя.

[0068] Максимальный объем расширительной камеры: максимальный объем расширительной камеры - это объем расширительной камеры (которая является рабочей камерой в той фазе цикла двигателя, когда рабочее вещество в рабочей камере было подвергнуто сжиганию и выполняет работу, направленную на ротор) в последней точке в цикле двигателя перед тем, как камера открывается для окружающей среды вне двигателя, например в двигателе 200 максимальный объем расширительной камеры - это объем этой камера сразу перед тем, как выпускной проход прекращает быть перекрытым, так что в последний момент не имеется канала для текучей среды от вытяжной камеры в окружающую среду вне корпуса двигателя.

[0069] Угол, или угол вращения. Ротор двигателя выполнен с возможностью вращения и движения по орбите в двигателе. В некоторых вариантах реализации ротор движется по орбите относительно оси двигателя, задаваемой его валом ввода/вывода, приводимым в движение валом эксцентрика, и с угловой скоростью вала, в то же время ротор вращается вокруг своей собственной оси с некоторой угловой скоростью вала и в противоположном направлении посредством синхронизирующих средств, определенных ниже. В различных положениях ротор формирует различные рабочие камеры и взаимодействует с впускным и выпускным отверстиями и т.д. Отсылки к углу ротора или углу вращения ротора означают отсылки к положению ротора в корпусе, например, если на фиг. 3(f) положение ротора считается равным 0 градусов, то положение ротора на фиг. 3(c) смещено на 60 градусов против часовой стрелки.

[0070] Рабочее вещество: термин "рабочее вещество" относится к газу в двигателе и может включать, например, воздух, проходящий в приемную камеру, воздух, сжимаемый в камере сжатия, газ в камере сгорания и газ в расширительной камере. Рабочее вещество может содержать горючее (например, бензин или дизельное топливо) или может включать субпродукты сжигания.

[0071] Эксцентриситет: расстояние между центром вращения вала и геометрическим центром кольцевого эксцентрика, закрепленного на валу.

Обзор показательного варианта реализации двигателя

[0072] На фиг. 2(a) схематически изображен вариант реализации циклоидного роторного двигателя 200, на фиг. 2(b) схематически изображен циклоидный роторный двигатель 200 с пространственным разделением деталей, и на фиг. 2(c) схематически изображен вид в разрезе циклоидного роторного двигателя 200. Двигатель 200 включает корпус 201, имеющий основную часть 201А (которая может быть известна как "кольцеобразная основная часть") с отверстием 201В, впускную крышку 201С и выхлопную крышку 201D. В некоторых вариантах реализации впускная крышка 201С и/или выхлопная крышка 201D выполнена заодно с основной частью 201А и формирует плоскую поверхность, смещенную в осевом направлении от ротора 202 и обращенную к нему. Как таковые, впускная крышка 201С и/или выхлопная крышка 201D могут быть названы просто плоской частью корпуса 201. Основная часть 201А, впускная крышка 201С и выхлопная крышка 201D характеризуются постоянным пространственным положением по отношению друг к другу, и вместе они определяют полость для вмещения циклоидного ротора 202.

[0073] Кроме корпуса 201 на фиг. 2(a) и 2(b) показаны другие компоненты двигателя 200. Вентилятор 203, имеющийся только в некоторых вариантах, обеспечивает поток воздуха к двигателю 200 для охлаждения и/или может подавать приточный воздух, используемый при выполнении цикла двигателя. Если вентилятор не используется, приточный воздух будет подаваться индукционным действием ротора, что в ходе его вращения ведет к созданию вакуума во время определенных частей цикла. Масляный насос 204, имеющийся только в некоторых вариантах, подает масло к внутренним компонентам двигателя, как описано ниже. Двигатель 200 также включает впускную и выпускную трубки 205 и 206, а также топливный насос 207 и топливные инжекторы 208 для подведения топлива с целью сжигания в двигателе 200.

[0074] В двигатель 200 ротор соединен с возможностью вращения с валом 201 эксцентрика 201, как хорошо видно на фиг. 6, который далее может быть назван просто "валом". Вал 210 эксцентрика выполнен с возможностью вращения вокруг центральной точки (или оси) 210А вала 210, и включает эксцентриковую часть 210В, которая смещена от вала на эксцентриситет "е". Сила, приложенная к эксцентриковой части вала 210, действует на вал 210, вызывая его вращение.

[0075] В этом варианте реализации ротор 202 имеет две выступающие части 202А, 202В, а отверстие 201В имеет три области 250, 252 и 253, принимающие выступающие части, как схематично показано на фиг. 3.

[0076] Выступающие части 202А, 202В выполнены криволинейными и характеризуются изогнутостью. Области 220, 221 и 222, принимающие выступающие части, заданы равным числом пересекающихся изгибов, которые формируют равное число выступов 205, 206, 207, один пик в каждом пересечении. Изгибы 208, 209 и 201, определяющие области, принимающие выступающие части, имеют изогнутость похожей формы с изогнутостью выступающих частей, так что внутренний изгиб областей 220, 221 и 222, принимающих выступающие части, такой же, как внешний изгиб выступающих частей 202А, 202В - с тем исключением, что между двумя изгибами должен быть небольшой промежуток, чтобы учесть производственные допуски и тепловое расширение у компонентов - так что любая из выступающих частей может полностью занимать любую из областей, принимающих выступающие части, как более полно описано далее.

[0077] Каждый пик 205, 206, 207, в свою очередь, имеет пиковый уплотнительный элемент 251А, 251В, 251С, и каждый пиковый уплотнительный элемент радиально смещен, чтобы быть в непрерывном плотном контакте с ротором 202, для формирования определенного числа рабочих камер, как более полно описано далее.

[0078] На фиг. 3(a)-3(f) схематически изображен двигатель 200 при различных фазах его работы, во время которых геометрический центр ротор 202 движется по орбите вокруг центра 210А вала 210, а ротор 202 вращается вокруг своего центра с половинной угловой скоростью и в противоположном направлении от вала 210. Механизм синхронизации, в этом случае зубчатое колесо 211 внутреннего зацепления, закрепленное на крышке, и шестерня 212, закрепленная на роторе в отношении 3:2, заставляет вал 210 поворачивать в направлении, противоположном направлению вращения ротора 202. Например, на фиг. 3(a)-3(f) ротор 202 поворачивает против часовой стрелки, и вал 210 поворачивает по часовой стрелке.

[0079] Когда ротор 202 поворачивается внутри отверстия 201В, корпус 201 и ротор 202 взаимодействуют для формирования трех рабочих камер 250, 252, 253 для выполнения цикла двигателя. Более конкретно, каждая рабочая камера задается кольцеобразным корпусом 201А, ротором 202, некоторым числом уплотнительных элементов и сторонами 201С, 201D корпуса.

[0080] Например, одна рабочая камера 250 формируется ротором 202, кольцеобразным корпусом 201А и уплотнительными элементами 251А и 251В, наряду со сторонами 201С и 201D и другими уплотнительными элементами между ротором и указанными сторонами. Для простоты на фиг. 3(a)-3(f) другие уплотнительные элементы не показаны.

[0081] Как показано на фиг. 3(a), рабочая камера 250 имеет ограниченный объем и не соединена с окружающей средой, внешней по отношению к двигателю 200. Когда ротор 202 поворачивается против часовой стрелки, газ или рабочее вещество (например, воздух, который был введен в рабочую камеру 250 до этого момента) сжимается до своего начального объема (V1). Когда ротор 202 продолжает поворачиваться, одна выступающая часть 202А ротора 202 продолжает постепенно занимать больше области 221, принимающей выступающие части, таким образом постепенно сжимая газ в рабочей камере 250. Как таковая рабочая камера 250 на этом этапе цикла двигателя может быть названа "камерой сжатия".

[0082] В итоге, выступающая часть 202А полностью занимает область 221, принимающую выступающие части, как схематично показано на фиг. 3(c). В этом положении выступающая часть 202А выдавила весь газ в камере сжатия внутрь камеры 260 сгорания в кольцеобразную основную часть 201А. Камера сгорания 260 имеет постоянный объем (V2).

[0083] Это положение ротора 202 в области 221 может быть названо как "верхняя мертвая точка" или "ВМТ". В этой точке цикла двигателя топливо в камере сгорания воспламеняется, вызывая добавление тепла к газу и, следовательно, сильно увеличивая давление газа.

[0084] Воспламенение может быть инициировано различными способами, известными из уровня техники. Однако в этом вариант реализации отношение начального объема камеры сжатия (V1) и объема камера сгорания (V2) в верхней мертвой точке может быть вплоть до 30 или больше. Топливо и газовая смесь в рабочей камере могут быть воспламенены компрессионным воспламенением. Фактически, топливо может быть введено в рабочую камеру перед закрыванием камеры сгорания (например, во время сжатия), или во время или после момента закрытия камеры сгорания.

[0085] При продолжении вращения ротора 202 выступающая часть 202А по существу неподвижна в течение короткого периода времени (или на протяжении малого угла вращения) в области 221, принимающей выступающие части. Другими словами, пока выступающая часть 202А находится в верхней мертвой точке, вращение вала 210 фактически вызывает поворот выступающей части 202А в область 221 перед началом ухода из области 221 (фиг. 3(d)). Объем рабочей камеры (т.е. камера сгорания) у верхней мертвой точки и вокруг нее по существу является постоянным для участка углового перемещения ротора 202. На практике, изменение объема рабочего вещества, захваченного в камере сгорания на протяжении примерно от 5 до 10 градусов вращения, вследствие аэродинамических качеств газа, движущегося через очень малый промежуток между ротором и корпусом, меньше, чем половина процента (0,5%) от объема камеры сгорания, и это может считаться фактически постоянным объемом или по существу постоянным объемом.

[0086] В некоторых вариантах реализации имеется по существу постоянный объем для более долгих циклов времени (или большего угла вращения ротора), чем могло бы быть обеспечено вращающимся ротором, например, как схематично показано на фиг. 8(a), некоторые варианты реализации включают поршень 850, который может регулируемо удлиняться в камере 820 сгорания, например в некоторых вариантах реализации поршень 850 может удлиняться в камере 820 сгорания. При уменьшении объема камеры сжатия ротора 821 рабочее вещество в камере сжатия выдавливается в камеру сгорания 820. В заданной точке цикла двигателя поршень 850 начинает выходить из камеры 850 сгорания, чтобы обеспечить дополнительный объем в камере 850 сгорания, чтобы точно совпадать с уменьшение объема камеры сжатия. Подобным образом, при повороте ротора 821 возле камеры 852 сгорания поршень 850 может начать занимать постепенно больше пространства камеры сгорания 850. Таким образом, комбинированная область камеры сжатия и камера 820 сгорания может удерживаться постоянной при заданном движении ротора.

[0087] В различных вариантах реализации малый поршень 850 может быть подпружинен или приводиться в движение внешним образом посредством кулачка, электрических или гидравлических приводов, синхронизированных с циклом двигателя. Любой такой приводной механизм может быть назван как "блок управления." Если приведение в движение осуществляется внешним образом, поршень 850 проходит в камеру сгорания 820 и может управляться, так чтобы поддерживать постоянный объем камеры 820 сгорания с намного большей продолжительность