УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВАНКЕЛЯ И АНАЛОГИЧНЫХ РОТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
PERFECTION OF WANKEL ENGINE AND SIMILAR ROTARY ENGINES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к роторным двигателям. В частности, настоящее изобретение относится к усовершенствованиям двигателя Ванкеля и аналогичных ему роторных двигателей, которые, будучи применены к двигателю из предшествующего уровня техники, значительно повышают его выходную мощность, эффективность и улучшают цикл.
Уровень техники
Изготовители роторных двигателей Ванкеля пытались предложить двигатель внутреннего сгорания, который преодолевает большинство недостатков двигателя с возвратно-поступательно движущимся поршнем, функционируя очень плавно и имея высокое отношение мощности к весу и более высокую частоту вращения по отношению к двигателю с возвратно-поступательно движущимся поршнем. После многих лет разработки двигателя Ванкеля имеются некоторые практические ограничения, которые препятствуют его широкому применению, несмотря на его теоретические преимущества по отношению к двигателю с возвратно-поступательно движущимся поршнем. Поэтому производством двигателя Ванкеля занимается только ограниченное число изготовителей.
Типичный роторный двигатель Ванкеля предшествующего уровня техники проиллюстрирован на фиг.1 и обозначен позицией 10. Роторный двигатель (10) Ванкеля содержит корпус (101) ротора, ротор (102), свечу (103) зажигания, уплотнение (104) вершины ротора, эксцентриковый вал (105), неподвижное зубчатое колесо (106), зубчатое колесо (107) ротора, выхлопное отверстие (108), впускное отверстие (109). Малая ось трохоидальной формы корпуса ротора обозначена как 110, а большая ось корпуса - как 111. Каждая из трех граней (J), (K), и (L) ротора (102) последовательно участвует в следующих четырех тактах: такте всасывания, такте сжатия, такте рабочего хода и такте выхлопа. Свежая смесь всасывается через впускное отверстие (109) гранью (А) ротора (102) до тех пор, пока не достигает максимального объема. В то же самое время грань (K) приводится в движение силами давления сгоревших газов, а грань (L) вытесняет отработанный газ через выхлопное отверстие (108). Некоторые из ограничений применения роторного двигателя Ванкеля относятся к уплотнению его вершин ротора, что выражается в нижеследующих характерных особенностях:
- тенденция отходить от внутреннего контура корпуса;
- несовместимость материала уплотнения вершины ротора с материалом корпуса ротора;
- повреждение внутреннего контура корпуса ротора и уплотнений;
- ограничение скорости, накладываемые высокими центробежными силами;
- плохая герметизация при низкой частоте вращения и при внезапных изменениях условий функционирования, таких как ускорение и замедление и внезапных изменениях нагрузки двигателя; и
- ограниченная герметизация уплотнения вершины ротора при относительно высоком давлении, которое характерно для дизельных двигателей.
Все вышеупомянутые ограничения имеют своим результатом неадекватную герметизацию, которая приводит к низкой надежности и низкой долговечности, определяемой также как короткий межремонтный срок службы.
Другие известные недостатки роторных двигателей Ванкеля, относящихся к предшествующему уровню техники, заключаются в следующем:
- камера сгорания не имеет конфигурацию, оптимальную для ее функции, что является, поэтому, одной из главных причин ее непригодности к достижению эффективного сгорания и относительно низкого теплового КПД;
- тенденция к смешиванию всасываемой смеси с отработанными выхлопными газами во время наложения такта всасывания - такта выхлопа, которая снижает КПД двигателя и выходную мощность. Эффективность турбокомпрессора, который смешивает всасываемую смесь с выхлопными газами, снижена, поскольку более высокий процент отработанного газа остается в двигателе, перемещаясь ротором к секции всасывания и смешиваясь с всасываемой смесью;
- высокое отношение площади поверхности к объему, имеющее своим результатом конденсацию топлива на внутренних стенках рабочих полостей, которая особенно заметна в двигателях водяного охлаждения и отрицательно влияет на КПД и износ;
- в начале каждого рабочего такта для двигателей Ванкеля предшествующего уровня техники характерно заметное противоречие, приводящее к неэффективному использованию продуктов сгорания, между геометрическим положением ротора во время зажигания и направлением движущих сил, создаваемых продуктами сгорания. При зажигании угол наклона ротора (то есть, угол наклона линии, совмещенной с уплотнением и точкой зацепления зубчатых колес статора и ротора по отношению к малой оси корпуса ротора) делит пополам два противоположных направления вращения сил давления, создаваемых отработанными газами, в результате чего сила давления продуктов сгорания, действующая против направления вращения ротора, имеет величину, по существу равную величине силы давления продуктов сгорания, действующей в направлении вращения ротора. Поскольку ротор вращается, и угол наклона изменяется, величина силы давления продуктов сгорания, действующей в направлении вращения ротора, соответствующим образом увеличивается так, что эта сила имеет величину, значительно большую чем сила, которая действует против направления вращения ротора. Когда угол наклона составляет приблизительно 60 градусов, по существу вся сила давления продуктов сгорания действует в направлении вращения ротора; однако остаточное давление продуктов сгорания при таком угле наклона является очень низким, что указывает на то, что рабочий такт близится к концу;
- в дополнение к ранее упомянутому противоречию, по существу все давление продуктов сгорания создается непосредственно после зажигания над ротором и перпендикулярно главному валу, вызывая очень высокие нагрузки в механизме двигателя, которые должны быть учтены при его проектировании;
- эффективный сектор рабочего такта двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники весьма узок, начинаясь после того, как вершина ротора прошла малую ось и повернулась приблизительно на 60 градусов и, заканчиваясь приблизительно после поворота на 60 градусов, где та же самая вершина достигает точки начала открытия выхлопного отверстия;
- степень сжатия роторного двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники зависит от коэффициента K (отношение радиуса ротора к эксцентриситету). Более низкий коэффициент K обусловливает для данного смещения меньший двигатель; однако его потенциальная степень сжатия низка, и угол наклона вершины уплотнения ротора очень высок, поскольку вершины уплотнения ротора должны проходить по очень крутому участку контура корпуса в зоне малой оси корпуса ротора. При увеличении коэффициента K размер двигателя и потенциальная степень сжатия увеличиваются для данного смещения, в то время как угол наклона вершины уплотнения ротора уменьшается. Чтобы достигнуть приемлемо хороших результатов в двигателе Ванкеля предшествующего уровня техники, следует достичь определенных компромиссов.
- Эксцентриковая передача двигателя Ванкеля накладывает ограничения на скорость двигателя и создает проблемы динамической балансировки. Сложное движение ротора и эксцентрикового вала обусловливает то, что скорость вала в три раза выше, чем скорость ротора, что приводит к низкому моменту и высокой скорости вала отбора мощности (ВОМ) двигателя.
Несмотря на вышеупомянутые недостатки роторный двигатель Ванкеля обеспечивает некоторые важные характеристики, которые делают его привлекательным для соответствующих отраслей техники. Надлежащее устранение вышеупомянутых недостатков может обеспечить роторному двигателю Ванкеля превосходство над большинством двигателей с возвратно-поступательно движущимся поршнем и, в определенных вариантах реализации, даже над некоторыми вариантами газовой турбины.
Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованный двигатель внутреннего сгорания, который пригоден для наземной, морской и авиационной силовой установки, так же, как для стационарных насосов, электроэнергетики и других бытовых и промышленных вариантов применения.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить систему роторного двигателя и способ герметизации, устраняющий отход уплотнений.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить для роторного двигателя эффективный способ герметизации, который является также менее чувствительным к сочетаемости материалов и не подвержен влиянию скорости двигателя.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить систему герметизации, которая не повреждает внутренний контур корпуса ротора и допускает более высокое рабочее давление.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ для формирования компактной и эффективной, регулируемой камеры сгорания.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ для формирования компактной и эффективной, регулируемой камеры сгорания, которая является также устройством с переменной степенью сжатия, которое может автоматически изменять степень сжатия во время функционирования, в соответствии с условиями, такими как плотность воздуха (высота над уровнем моря), температура окружающей среды и нагрузка.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ функционирования, при котором полностью удаляются выхлопные газы и устраняется смешивание всасываемой смеси с выхлопными газами.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить роторный двигатель, использующий турбокомпрессор без каких-либо отрицательных воздействий на продувку двигателя и смешивание всасываемой смеси с выхлопными газами, и поэтому имеющий повышенную выходную мощность и улучшенное отношение мощности к весу, т.е. улучшенный удельный вес.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить роторный двигатель, который устраняет конденсацию топлива на внутренних стенках полости.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить роторный двигатель, в котором, геометрически практически все давление продуктов сгорания действует в направлении вращения от начала до конца рабочего такта.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить роторный двигатель, который функционирует в намного более широком рабочем секторе по сравнению с двигателем Ванкеля предшествующего уровня техники и в результате достигает более высокой выходной мощности и более высокого КПД.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить роторный двигатель внутреннего сгорания, который может эффективно сжигать широкий ассортимент видов топлива.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить роторный двигатель внутреннего сгорания с низкой чувствительностью к высоте над уровнем моря (скомпенсированного по плотности), удобный для авиационных вариантов применения.
Еще одна другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованную, полнооборотную, концентричную систему, в противоположность эксцентрической системе двигателя Ванкеля, и объединить такую концентричную систему с дополнительными усовершенствованиями, обеспечиваемыми настоящим изобретением.
Еще одна другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить систему двигателя внутреннего сгорания, которая является экономически эффективной.
Еще одна другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить систему роторного двигателя, которая преодолевает недостатки устройств предшествующего уровня техники, сохраняя при этом присущие им преимущества.
Другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидны по ходу описания.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает усовершенствования роторных двигателей внутреннего сгорания Ванкеля и двигателей аналогичной конфигурации. Двигатель в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, одно роторное устройство (в дальнейшем именуемое "ротор") и соответствующий корпус ротора, посредством которых осуществляется работа двигателя; два стационарных буферных уплотнения, расположенных на двух концах малой оси упомянутого корпуса ротора, которые делят упомянутый корпус ротора на две отдельные полости, при этом первая полость представляет собой полость всасывания и сжатия, а вторая полость, расположенная сзади по ходу за упомянутой первой полостью, представляет собой полость расширения и выхлопа; по меньшей мере, одно регулирующее поток устройство с вращающейся камерой сгорания (РПКС), синхронизированное с упомянутым, по меньшей мере, одним ротором, для приема сжатой текучей среды, которая в предпочтительном варианте представляет собой воздух, из упомянутой первой полости, передачи упомянутого сжатого воздуха в упомянутую вторую полость, воспламенения и сжигания воздушно-топливной смеси, что вызывает расширение в упомянутой второй полости; и форсункой, расположенной внутри упомянутой регулирующей поток вращающейся камеры сгорания, для впрыскивания топлива в упомянутую камеру сгорания. Эти два уплотнения находятся в постоянном контакте с периферическим контуром ротора.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения двигатель содержит компрессор, в частности турбокомпрессор, приводимый в действие текучей средой, выпускаемой из выпускного отверстия во время такта выхлопа и РПКС, которое также служит в качестве буфера между секторами сжатия в двигателе и его рабочим сектором.
В другом варианте реализации изобретения двигатель содержит систему регулирования потока и РПКС для того, чтобы сделать возможным поточно-тактовое функционирование в объемном режиме, с непрерывным сгоранием.
В одном предпочтительном варианте реализации настоящее изобретение предлагает поточно-тактовую систему двигателя, которая включает в себя:
a) Первое роторное устройство.
b) Второе роторное устройство, которое соединено с первым роторным устройством для совместного функционирования и достижения более высокой выходной мощности и более плавного функционирования.
c) Устройство (устройства), регулирующее (регулирующие) поток.
d) Две форсунки, питаемые управляемым топливным насосом.
e) Начальные воспламенители.
f) Камеры сгорания, которые содержат d) и е).
g) Трубопроводы, которые служит соединителями потока между рабочими блоками.
h) Турбокомпрессор высокой степени сжатия.
i) Электронное и/или механическое управляющее устройство для того, чтобы управлять впрыскиванием топлива в соответствии с расходом воздуха.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения вершины ротора несут на себе имеющее специальную форму уплотнение, которое может взаимодействовать с неподвижными уплотнениями, разработанное главным образом для вариантов реализации изобретения без турбонаддува.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения эти имеющие специальную форму уплотнения расположены на выступах на малой оси неподвижного блока двигателя, в то время как ротор оборудован уплотнениями вершины ротора, имеющими обычную форму.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения ротор и корпус устройства регулятора потока сформированы таким образом, чтобы функционировать в качестве компактной камеры сгорания для того, чтобы зажигание и сгорание происходили в наилучших возможных условиях.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения РПКС имеет переменную степень сжатия, так что степень сжатия может быть автоматически или вручную изменена во время функционирования и, кроме того, камеры сгорания полностью продуваются в конце каждого такта.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения РПКС объединено с главным ротором двигателя, функционируя внутри корпуса ротора как отдельная камера сгорания постоянного объема для каждого края ротора.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретение РПКС объединено с главным ротором двигателя, функционируя внутри корпуса ротора как отдельная камера с переменным коэффициентом сгорания для каждого края ротора.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения РПКС объединено с главным ротором двигателя, функционируя внутри корпуса ротора как двойная камера сгорания постоянного объема для каждого края ротора.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения РПКС объединено с главным ротором двигателя, функционируя внутри корпуса ротора как двойная камера сгорания с переменным коэффициентом сгорания для каждого края ротора.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения сектор, буферные уплотнения оборудованы системой демпфирования отхода для того, чтобы улучшить герметизацию, а следовательно, надлежащее разделение между двумя секторами внутренних полостей корпуса.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения с главным валом двигателя механически соединен поточный компрессор для того, чтобы функционировать в качестве автономного компрессора или ступени множества компрессоров, чтобы повысить давление всасываемой смеси двигателя.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения двигатель представляет собой полностью вращательную, концентрическую, объемную систему, которая функционально объединяется с другими компонентами настоящего изобретение для того, чтобы избежать недостатков сложного движения объемной системы Ванкеля.
Усовершенствованный роторный двигатель, снабженный полнооборотным вращающимся концентрическим механизмом для рабочего объема, содержит первый корпус для первого и второго расположенных бок о бок роторов, который определяет полость всасывания и сжатия; второй корпус для третьего и четвертого расположенных бок о бок роторов, который определяет полость расширения и выхлопа и сконструирован в тандеме с упомянутым первым корпусом; два продольных вала, закрепленных в осевом направлении подшипниками в центрах упомянутых первого и второго корпусов, соответственно; два зубчатых колеса, которые находятся в зацеплении с упомянутыми двумя валами таким образом, чтобы вращаться в синхронизированном по времени движении; регулирующее поток устройство с вращающейся камерой сгорания, синхронизированное с упомянутыми валами и с упомянутыми роторами, для приема сжатой текучей среды из упомянутой полости всасывания и сжатия и передачи ее в упомянутую вторую полость расширения и выхлопа; и форсункой, расположенной в упомянутом регулирующем поток устройстве с вращающейся камерой сгорания.
Краткое описание чертежей
На чертежах представлены:
- Фиг.1 - поперечный разрез роторного двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники.
- Фиг.2 - схематический поперечный разрез двигателя, показанного на Фиг.1, иллюстрирующий геометрические ограничения двигателя предшествующего уровня техники, поскольку давление сгорания действует на ротор в противоположных направлениях вращения.
- Фиг.3 - схематический поперечный разрез двигателя, показанного на Фиг.1, иллюстрирующий смешивание выхлопных газов с всасываемой смесью в двигателях Ванкеля предшествующего уровня техники.
- Фиг.4 - поперечный разрез двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, согласно одному варианту реализации изобретения.
- Фиг.5 - поперечный разрез двигателя с искровым зажиганием, согласно другому варианту реализации изобретения.
- Фиг.6 - поперечный разрез двигателя с непрерывно протекающим сгоранием согласно другому варианту реализации изобретения.
- Фиг.7 - схематический чертеж двигателя с непрерывно протекающим сгоранием, имеющего два ротора, два РПКС, и турбокомпрессор.
- Фиг.8 - схематический вид сбоку двигателя, показанного на Фиг.7, дополнительно содержащего компрессор потока, приводимый от вала двигателя.
- Фиг.9А - поперечный разрез примера двигателя согласно другому варианту реализации изобретения, иллюстрирующий два из присущих ему преимуществ: его приспособленность к такому низкому коэффициенту К как 4 без какого-либо воздействия на степень сжатия и его приспособленность к системе демпфирования отхода буферных уплотнений посредством расположения их в неподвижном корпусе двигателя.
- Фиг.9В - чертеж в увеличенном масштабе системы демпфирования отхода буферного уплотнения, показанной на Фиг.9А.
- Фиг.9С аналогична Фиг.9В, иллюстрирует буферное уплотнение в начальном положении, до запуска двигателя, при котором его контакт с контуром ротора обеспечивается только силой мембранной пружины предварительной нагрузки.
- Фиг.9D аналогична Фиг.9С, иллюстрирует герметизирующее действие буферного уплотнения, при котором давление на уплотнение достигается посредством давления масла в двух камерах между двумя мембранами.
- Фиг.9Е аналогична Фиг.9D, иллюстрирует уравновешивание контактной нагрузки буферного уплотнения на поверхность ротора за счет приложения рабочего давления двигателя к внешней стороне обеих мембран.
- Фиг.10А в схематическом виде иллюстрирует конфигурацию вершины уплотнения ротора, которое дополняет двигатель с неподвижными буферными уплотнениями корпуса ротора, так же, как в двигателе без турбонаддува, и кроме этого иллюстрирует метод уравновешивания центробежной силы, действующей на уплотнение вершины ротора, и способ разложения вектора силы для снижения центробежной силы, действующей на уплотнения вершины ротора.
- Фиг.10В представляет собой вид в перспективе деталей уплотнения вершины ротора, показанного на Фиг.10А.
- Фиг.10С и 10D представляют собой вид в перспективе волнообразной пружины и противовеса, используемые в уплотнении вершины ротора, показанного на Фиг.10А.
- Фиг.10Е - вид спереди вершины ротора, показанной на Фиг.10А, и уплотнения в сборе.
- Фиг.11А иллюстрирует конфигурацию прямоугольного уплотнения вершины ротора.
- Фиг.11С и 11D представляют собой вид в перспективе волнообразной пружины и противовеса соответственно, используемые в уплотнениях вершин по фиг.11А.
- Фиг.11Е представляет собой вид спереди вершины ротора, показанной на Фиг.11А, и уплотнения в сборе.
- Фиг.11F представляет собой вид в перспективе участка малой оси корпуса ротора с встроенным буферным уплотнением.
- Фиг.11G представляет собой вид в перспективе внешней части буферного уплотнения.
- Фиг.12А представляет собой схематический чертеж, который иллюстрирует каждый ротор концентрического и вращающегося двигателя с нагнетателем объемного типа, согласно еще одному другому варианту реализации изобретения.
- Фиг.12В представляет собой увеличенное изображение плунжера, показанного на Фиг.12А.
- Фиг.12С представляет собой увеличенное изображение роторного центробежного линейного уплотнения, показанного на Фиг.12А.
- Фиг.12D и 12Е представляют собой, соответственно, схематические виды спереди и сбоку двигателя, показанного на. Фиг.12А.
- Фиг.12F представляет собой схематический чертеж другого варианта реализации изобретения, в общем аналогичного двигателю на Фиг.12А, показывающий роторы, имеющие, по меньшей мере, один вогнутый участок зацепления и по меньшей мере один выпуклый участок зацепления для улучшенного зацепления и герметизации.
- Фигуры 13А - I иллюстрируют, соответственно, состоящий из девяти этапов такт, реализуемый двигателем, показанным на Фиг.12А, в котором каждый этап иллюстрирует дополнительное его угловое смещение.
- Фигуры 14А и 14В представляют собой, соответственно, вид спереди в разрезе и схематический вид сбоку полусферических РПКС-устройств, при этом Фиг.14А иллюстрирует способ охлаждения, а Фиг.14 В иллюстрирует способ для удаления остаточного отработанного газа из камер сгорания в конце каждого цикла.
- Фигуры 15А и 15В представляют собой, соответственно, местные, схематические виды спереди и сбоку в разрезе РПКС с регулируемой степенью сжатия, в котором средство для управления степенью сжатия представляет собой кулачковый механизм с геометрическим замыканием и роликом.
- Фигуры 16А и 16В представляют собой, соответственно, местные, схематические виды спереди и сбоку РПКС с регулируемой степенью сжатия, в котором степенью сжатия управляют посредством кулачкового механизма с силовым замыканием под действием пружины.
- Фиг.17 представляет собой местный, схематический вид в разрезе РПКС с переменной степенью сжатия, в котором степенью сжатия управляют посредством эксцентрикового вала и соединительных штоков.
- Фигуры 18А и 18В представляют собой, соответственно, виды спереди и сбоку в разрезе РПКС с переменной степенью сжатия, который расположен на стороне корпуса ротора.
- Фигуры 19А-С представляют собой, соответственно, виды в разрезе трех конструкций передачи, которые пригодны для приведения в действие РПКС.
- Фигуры 20А-С представляют собой, соответственно, виды в разрезе РПКС, которое составляет единое целое с ротором, при этом Фиг.20А представляет собой вид спереди РПКС. Фиг.20В представляет собой вид сбоку ротора, разрезанного по плоскости В-В, показанной на Фиг.20А, и содержащего отдельную камеру сгорания для каждой грани ротора, и Фиг.20С представляет собой вид сбоку ротора, разрезанного по плоскости В-В, показанной на Фиг.20А, и содержащего две камеры сгорания для каждой грани ротора.
- Фигуры 20D и 20Е представляют собой виды в разрезе РПКС, ослабляющего боковое давление, составляющего единое целое с ротором, при этом Фиг.20D представляет собой РПКС, устраняющее давление, а Фиг.20Е представляет собой РПКС, снижающее давление.
- Фигуры 21А и 21В представляют собой виды в разрезе РПКС, которое составляет единое целое с ротором, при этом Фиг.21А представляет собой вид спереди РПКС, а Фиг.21В представляет собой вид сбоку ротора, разрезанного по плоскости С-С, показанной на Фиг.21А; и
- Фигуры 22А и 22В представляют собой, соответственно, виды спереди и сбоку системы двигателя, в которой камеры сгорания составляют единое целое с ротором и имеют механизм двойной камеры с переменной степенью сжатия.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
Настоящее изобретение - новая конфигурация роторного двигателя, имеющая по меньшей мере один ротор и по меньшей мере одно регулирующее поток устройство с вращающейся камерой сгорания (РПКС-устройство), вращение которого синхронизировано с вращением каждого ротора. Два стационарных буферных уплотнения, расположенные на двух концах малой оси корпуса делят последний на две отдельных полости, первая полость всасывания и сжатия и вторая полость расширения и выхлопа, расположенная сзади по ходу за первой полостью. Каждое РПКС-устройство получает сжатую насыщенную кислородом текучую среду из полости всасывания, инжектирует топливо в эту сжатую текучую среду, зажигает воздушно-топливную смесь, и передает продукты сгорания в полость расширения.
Чтобы оценивать полезность конфигурации двигателя по настоящему изобретению, сначала обратимся к фигурам 1-3, которые иллюстрируют несколько ограничений роторных двигателей Ванкеля предшествующего уровня техники.
Фиг.1 иллюстрирует конфигурацию приводимого в качестве примера роторного двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники, в целом обозначенного позицией 10, который содержит корпус (101) ротора, ротор (102), имеющий грани (J-K), зубчатое колесо (106) статора, зубчатое колесо (107) ротора, эксцентриковый вал (105), свечу (103) воспламенения, впускное отверстие (109) и выхлопное отверстие (108). Эпитрохоидальный корпус (101) ротора имеет большую ось (111) и малую ось (110). Относительно узкий рабочий сектор двигателя (10) показан находящимся в относительно малом диапазоне 60-70 градусов, простирающимся до точки, в которой открывается выхлопное отверстие (108).
Фиг.2 иллюстрирует хорошо известное геометрическое противоречие в двигателе (20) Ванкеля предшествующего уровня техники, заключающееся в том, что сила, порождаемая давлением продуктов сгорания, действует одинаково на обе стороны соответствующей грани (202 А-С) ротора, когда угол (220) наклона ротора (202) перпендикулярен соответствующей грани (202 А-С) ротора. Также показаны уплотнения (204 А-С) вершины ротора для герметизации полости, определенной соответствующей гранью (202 А-С) ротора и внутренней стенкой корпуса (201) ротора.
Фиг.3 иллюстрирует еще один известный недостаток двигателя (30) Ванкеля предшествующего уровня техники, в силу которого всасываемая смесь смешивается с продуктами сгорания. В то время как большинство отработанных газов выпускается из двигателя через выхлопное отверстие (308), часть их остается внутри корпуса (301) ротора и направляется, например, гранью (302 С) ротора при проиллюстрированной ориентации ротора (302), прошедшего малую ось (310) корпуса (301) ротора, таким образом, что смешивается со свежим количеством рабочей смеси, которое вводится в корпус (301) ротора через впускное отверстие (309).
Фиг.4 иллюстрирует предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, в котором двигатель с воспламенением от сжатия, в целом обозначенный позицией 40, включает в себя корпус (401), разделенный на две полости посредством двух буферных уплотнений (404) и (404'). В контакте с буферными уплотнениями (404) и (404') постоянно находятся, соответственно, две отдельные точки контакта ротора (402) для того, чтобы осуществлять герметизацию. Выпускное отверстие (419) полости (400) впуска - сжатия сообщается с входом вращательного устройства (421) регулятора потока камеры сгорания (РПКС). В конце такта сжатия сжатая текучая среда запирается и герметизируется в полости РПКС (421) благодаря скоординированному движению его ротора (422), который блокирует выпускное отверстие (419). Поскольку ротор (422) продолжает вращаться, то сжатая текучая среда подается на противоположную сторону РПКС, где форсунка (423) впрыскивает отрегулированное количество топлива, которое воспламеняется температурой сжатой текучей среды.
Свеча (403) воспламенения установлена для того, чтобы поддерживать запуск в холодном состоянии. Момент впрыскивания топлива выбран таким образом, чтобы сгорание началось в момент, когда передняя движущаяся вершина ротора (402) двигателя (соответствующая грани (K) на этом конкретном чертеже) полностью прошла впускное отверстие (418) полости (480). По мере того, как ротор (402) двигателя продолжает вращаться под давлением сгорания, действующим на его грань (K), грань (J) выполняет такт всасывания и грань (L) выполняет такт выхлопа. Ротор (422) РПКС вращается синхронно с ротором (402) двигателя таким образом, что во время цикла каждая грань ротора двигателя расположена напротив грани ротора РПКС. Вход турбины турбокомпрессора сообщается с выхлопным отверстием (408) и запитывается отработанными газами, которые в свою очередь приводят в действие компрессор (415) потока, который поддерживает такт всасывания, подавая текучую среду под давлением через всасывающее отверстие (409). Как ясно видно, вершина ротора (402) двигателя выполняет полную продувку полости, и отработанные газы не могут смешиваться со всасываемой смесью из-за буферного уплотнения (404').
Такт нагнетания (всасывания) непрерывен без какого-либо прерывания потока. Компенсация перекрытия между выхлопным отверстием (408) и впускным отверстием (409) не нужна, поскольку сообщение текучей среды между двумя отверстиями полностью блокировано буферным уплотнением (404').
Полный цикл начинается во всасывающем отверстии (420) компрессора (415) и заканчивается в выхлопном отверстии (430) турбины. Рабочий сектор начинается в точке, где впускное отверстие (418) рабочей полости (480) полностью пройдено соответствующей вершиной ротора (402) двигателя, которая располагается приблизительно на расстоянии от 15° до 18° после пересечения малой оси (410) и верхнего буферного уплотнения (404), в отличие от приблизительно 60-70° в двигателе Ванкеля предшествующего уровня техники, показанного на фиг.1. Конфигурация настоящего изобретения добавляет приблизительно 42° рабочему сектору в этой точке, что является преимуществом, равно как практически равную прибавку к концу рабочего сектора, благодаря чему выхлопное отверстие (408) открывается соответствующей вершиной ротора двигателя на расстоянии приблизительно от 15° до 18° перед пересечением малой оси (410) и нижнего буферного уплотнения (404'). В целом, эффективный рабочий сектор в сумме составляет приблизительно 144°, по сравнению с приблизительно 60°, достигнутыми системой Ванкеля предшествующего уровня техники, как это можно видеть на фиг.1. Следует понимать, что расчетный рабочий сектор по настоящему изобретению больше, чем максимальный рабочий сектор двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники, который составляет только 60-70°, поскольку после такого значения соответствующий объем не увеличивается. Относительно двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники рабочий сектор двигателя по настоящему изобретению фактически удвоен, поскольку объем увеличивается в пределах сектора 120°.
Кроме того, в настоящем изобретении можно ясно видеть, что с начала до конца, давление сгорания в рабочем такте действует на ротор с силой, которая заставляет последний вращаться только в одном направлении вращения. Поскольку давление сгорания ограничено рабочим сектором, определенным буферным уплотнением на осевой линии малой оси, то действует однонаправленная сила. Сравнение с системой предшествующего уровня техники приводится на фиг.2, на которой можно заметить, что сила, действующая со стороны давления сгорания в начале такта, вызывает вращение равным образом в противоположных и исключающих друг друга направлениях вращения. Ситуация улучшается, поскольку вращение продолжается пока не минует приблизительно 60°, где вся сила направлена в требуемом направлении вращения, но тогда рабочий такт близок к завершению, и остаточное давление незначительно.
Фиг.5 иллюстрирует другой вариант реализации изобретения в форме двигателя с искровым зажиганием, который в целом обозначен ссылочной позицией 50 и содержит все признаки, описанные выше с необходимыми изменениями при следующих различиях: форсунка (523) расположена в ПКС (521) в его первой камере на стороне сжатия спереди по ходу от стороны сгорания, где установлена свеча (503) воспламенения. Форсунка расположена на стороне сжатия для того, чтобы оставить время для эффективного смешивания топлива и воздуха перед сгоранием. Кроме того, степень сжатия двигателя с искровым зажиганием ниже, чем степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия.
На Фиг.6 проиллюстрирован другой вариант реализации настоящего изобретения в виде двигателя непрерывного сгорания, который в целом обозначен ссылочной позицией 60 и содержит все признаки, описанные выше, с необходимыми изменениями, при следующих различиях: конструкция двигателя, показанная на Фиг.6 содержит корпус (601) ротора, если требуется, то с несколькими полостями, если двигатель содержит более чем один ротор, буферные уплотнения (604) и (604'), возможно и большее количество каждого из этих уплотнений в случае корпуса с несколькими полостями, для того, чтобы разделить каждую полость корпуса на две отдельных полости по его малой оси. Один или более роторов (602) осуществляют изменения объема полости для тактов нагнетания, равно как предназначены для использования контура своей периферии для постоянного контакта с буферными уплотнениями для осуществления герметизации. Турбинный вход газового турбокомпрессора (615) с независимым валом пневматически соединен своей турбиной с выхлопным отверстием (608) полости (680) и выпускное отверстие его компрессора непосредственно соединено с впускным отверстием (609) полости (600) всасывания - сжатия. Функция газового турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличить давление текучей среды, которая поступает в камеру сгорания (642) так, чтобы были получены повышенный КПД и выходная мощность. Впускное отверстие устройства (621) регулятора потока устроено наверху выпускного отверстия (619) полости всасывания - сжатия.
Сжатая текучая среда (обычно воздух) из турбокомпрессора (615) далее сжимается и поступает в камеру регулятора (621) потока и передается в камеру (642) сгорания посредством ротора (622), который синхронизирован с ротором (602). Благодаря синхронизации ротор (622) служит также как буфер, препятствующий распространению давления продуктов сгорания назад против хода в сектор сжатия. Поданная сжатая текучая среда течет вперед по ходу к камере сгорания через блок (640) регулятора расхода, который управляется автоматической системой (641) определения воздушного потока с тем, чтобы стабилизировать воздушный поток в камеру (642) сгорания. В камере (642) сгорания установлены форсунка (623) и начальный воспламенитель (603). Данные о воздушном потоке для измерения расхода топлива подаются системе впрыскивания топлива (не показанной на чертеже). Начальный воспламенитель (603) предназначен только для запуска двигателя, который далее работает в непрерывном такте сгорания. Поскольку части двигателя эффективно охлаждаются, то могут поддерживаться высокие рабочие температуры, так что может быть достигнуто по существу стехиометрическое горение, что упрощает конструкцию камеры (642) сгорания и повышает ее КПД и выходную мощность по сравнению с газовой турбиной. Другое усовершенствование по сравнению с газовой турбиной заключается в высокой гибкости настоящего изобретения благодаря объемному такту и статическому давлению, что имеет своим результатом рабочие характеристики, которые аналогичны рабочим характеристикам объемных двигателей внутреннего сгорания, и в то же самое время наличие характеристик удельной мощности, отношения мощности к весу и удельного веса, имеющих значение, сопоставимое с газовой турбиной. Кроме того, множество полостей, а именно роторов, корпусов и т.д., может внести свой вклад в более плавное функционирование двигателя и стабильность потока текучей среды.
Фиг.7 показывает другой вариант реализации настоящего изобретения, который в целом обозначен ссылочной позицией 70 и представляет собой двигатель с непрерывно протекающим сгоранием, имеющий множество роторов, который аналогичен двигателю (60) на Фиг.6, показанному в соответствии с приводимой в качестве примера конструкцией. Принципы функционирования и устройства, предложенные на Фиг.6, можно увидеть на Фиг.7, с необходимыми изменениями, на которой показаны множество роторов (702) с прямым впрыскиванием топлива посредством соответствующего топливного инжектора (723) и начального воспламенителя (703) в полость (780) расширения, в которую введен соответствующий нагнетательный трубопровод (718) из РПКС (722) без какой-либо камеры сгорания по причине подходящего соотношения топливной и воздушной смеси.
Фиг.8 представляет собой схематический вид сбоку варианта реализации изобретения, показанного на Фиг.7, на котором к этому варианту реализации добавлен поточный компрессор (890), приводимый в действие валом двигателя, тем самым предлагается другой вариант реализации настоящего изобретения, чтобы создать многоступенчатый поточный компрессор с целью увеличения давления нагнетаемой текучей среды.
Компрессор (890) отмечен пунктирной линией, указывающей его в качестве дополнительного признака, поскольку объемные блоки согласно настоящему изобретению, обеспечивают очень высокую степень сжатия (выше, чем 70 при любом коэффициенте K). Однако поточный компрессор способен подавать намного более высокое количество текучей среды, и поэтому в реальной конструкции возможно сочетание объемного компрессора и поточного компрессора.
Цикл системы, показанной на Фиг.8, начинается на входе (891) компрессора (890) потока, приводимого в действие валом двигателя, который питает турбокомпрессор (815) с независимым валом, непосредственно через трубопровод (892) или через промежуточный охладитель (не показанный на чертеже) через отверстие (820). Компрессор турбокомпрессора (815) с независимым валом дополнительно сжимает текучую среду и подает ее непосредственно объемному устройству (801) через трубопровод (840) или через промежуточный охладитель (не показанный на чертеже).
После дополнительного сжатия в объемном блоке (801) сжатая текучая среда подается регулятором (822) потока в камеру сгорания через регулятор расхода (аналогичные камере (642) сгорания и регулятору (640) расхода, показанным на Фиг.6).
Регулятор (822) потока синхронизирован через свой вал (850) с главным валом (860) двигателя посредством передачи (855). После расширения в объемном устройстве в полости (880) остаточное давление текучей среды поступает на турбину блока (815) турбокомпрессора с независимым валом через трубопровод (841), и сжатие всасываемой текучей среды снова производится компрессором. Отработанная текучая среда выпускается в атмосферу через выход (830) турбины.
Используя такой вариант реализации двигателя, который является по существу встроенной мультитопливной системой, варианты применения, которые до этого рассматривались как не походящие для объемных двигателей внутреннего сгорания из-за низкого отношения мощности к весу, ограничения типов топлива и чувствительности к высоте (компенсация плотности), теперь могут быть возможны. Кроме того, благодаря циклу, который происходит при статическом давлении, могут также быть достигнуты высокие КПД и выходная мощность по широкому диапазону скорости двигателя. Кроме того, компоненты системы, которые эффективно охлаждаются, могут функционировать при температуре, намного меньшей, чем максимальная температура цикла. В результате температура может быть выше, что делает возможным более высокий КПД по сравнению с газовой турбиной.
На Фиг.9 описан другой вариант реализации настоящего изобретения, который демонстрирует способ, которым усовершенствования настоящего изобретения могут быть применены к системам предшествующего уровня техники, с тем, чтобы достигнуть более высоких рабочих характеристик, КПД и лучшей приспособленности к обычным и новым потенциальным вариантам применения. Двигатель в целом обозначен как 90, показывая применимость для использования с низким коэффициентом K (отношение радиуса ротора к эксцентриситету). Низкий коэффициент K важен, поскольку влияет на конфигурацию двигателя, т.к. более низкий коэффициент K делает возможным меньший размер и вес двигателя для данного рабочего объема. Благодаря низкому коэффициенту K могут быть преодолены недостатки, присущие двигателю Ванкеля предшествующего уровня техники, такие как низкая степень сжатия и чрезмерно острый угол наклона уплотнения вершины ротора по внутреннему контуру корпуса ротора. Большинство двигателей Ванкеля предшествующего уровня техники имеет коэффициент К, который выше чем 6 (обычно приблизительно 7 для двигателей с искровым зажиганием и приблизительно 10 для двигателей с воспламенением от сжатия).
На фигурах 9 А-Е ротор (902) и корпус (901) сконструированы в соответствии с коэффициентом K, составляющим 4, демонстрируя компактность двигателя, которая может быть достигнута. Рабочие объемы являются относительно большими, форма ротора проста и вес ротора меньше, чем у роторов с более высоким коэффициентом K при той же вместимости. Кроме того, большая часть массы ротора может быть охлаждена посредством большого канала (959), выполненного в эксцентриковом валу (953), в то время как дальняя область вершин охлаждается посредством узкого канала (952), выполненного вблизи соответствующей вершины ротора, тем самым устраняются проблемы большого расхода охлаждающего масла внутри больших проходов в роторе, известные как проблемы динамического равновесия, так же, как и проблемы герметизации центрального ротора, присущие двигателям предшествующего уровня техники. Дополнительное преимущество низкого коэффициента K заключается (что неожиданным образом объясняется большим эксцентриситетом, который обычно должен уменьшать скорость вращения и увеличивать крутящий момент) в том, что скорость вращения может поддерживаться столь же высокой или даже еще более высокой, чем у двигателей предшествующего уровня техники, при более высоких коэффициентах K, при сохранении увеличенного крутящего момента, благодаря значительному уменьшению массы ротора.
Буферные уплотнения (904) и (904'), показанные на Фигурах, 9А-Е, расположены на двух концах малой оси, которая является осью, разделяющей внутренний эпитрохоидальный контур на две равных половины по его самому узкому сечению, соответствующему центральным выступам.
Во всех вариантах реализации настоящего изобретения ротор выполнен таким образом, что при вращении его периферический контур равно как его вершины постоянно находятся на постоянном расстоянии (промежутке) от концов внутренних выступов корпуса ротора в каждой данной точке. В результате буферные уплотнения (904) и (904'), которые расположены точно в этих двух точках, обращенных к контуру ротора, находятся в постоянном контакте с ним и теоретически являются неподвижными. В следующем далее описании станет ясно, что давление, действующее на буферные уплотнения, также является постоянным и регулируемым. В большинстве вариантов реализации настоящего изобретения ротор не оснащен уплотнениями вершин ротора, что объясняется двумя основными факторами. Во-первых, когда соответствующая вершина ротора (902) проходит впускное отверстие (918), которое ведет от камеры сгорания к полости работы - выхлопа, ротор (922) РПКС блокирует любое имеющее место спереди по ходу противодавление через камеру сгорания и РПКС. В то же самое время буферное уплотнение (904) блокирует любое противодавление между полостями (900) и (980) корпуса ротора. Во-вторых, промежуток между вершиной ротора и корпусом ротора может быть сделан чрезвычайно малым, таким, что вершина находится почти в контакте с корпусом. Ротор (902) оснащен боковыми уплотнениями, и единственная возможная утечки газа - малый промежуток между вершинами ротора и контуром корпуса ротора. Выход полости (980) соединен со стороной турбины, впускным отверстием высоконапорного турбокомпрессора (не показанного на чертеже), и в результате каждая доза утекающего в заднем (по ходу) направлении газа используется турбокомпрессором. Это, в свою очередь, увеличивает количество и давление воздуха на входе. В некоторых конструкциях должен быть сделан относительно широкий промежуток для того, чтобы достигать более высокой части турбокомпрессора в процессе наддува. Что касается полости (900) всасывания - сжатия, то следует разрешить самый узкий возможный промежуток между концами вершины и контуром корпуса ротора для того, чтобы минимизировать утечку в переднем по ходу направлении. В любом случае утечка имеет очень небольшое значение, поскольку текучая среда состоит из чистого воздуха, не смешанного с топливом и частично уравновешивается относительно высоким давлением турбокомпрессора. Для вариантов реализации настоящего изобретения с непрерывным потоком и непрерывным сгоранием передние по ходу и задние по ходу утечки имеют небольшое значение или вообще не имеют никакого значения благодаря линии тока с близким к постоянному давлением, идущей от впускного до выпускного отверстий. Тем не менее, показано уплотнение вершины ротора для систем без турбонаддува (Фигуры 10 А-С и Фиг.11D), которое обеспечивает скольжение по буферным уплотнениям (904) и (904') в корпусе ротора и, наоборот, буферное уплотнение, которое обеспечивает скольжение по уплотнению вершины ротора.
На Фиг.9В показан увеличенный вид в разрезе буферного уплотнения (904). Показаны все главные детали, включая конец вершины ротора (902), который находится в контакте с уплотнением (904). Уплотнение (904) расположено в своем корпусе (961), являющимся прямолинейной направляющей скольжения. Основание уплотнения закреплено на пружинной мембране (962), которая жестко закреплена в корпусе (961). Над мембраной (962) образован канал, связанный с внутренним объемом двигателя, а под мембраной (962) образована камера (967). Разделительная стенка (964) отделяет камеру (967) от аналогичной камеры (967А), расположенной непосредственно под ней. Камера (967А) также перекрыта пружинной мембраной (963), жестко закреплена в корпусе (961). Под второй мембраной (963) образовано пространство (966), сообщающееся с внутренним объемом двигателя посредством просверленного канала (965). Внутри разделительной стенки (994) между двумя мембранами (962) и (963) выполнено калиброванное отверстие (960). Функция отверстия (960) заключается в том, чтобы предотвращать тенденцию отхода буферного уплотнения, вызванного условиями функционирования двигателя, такими как широкий спектр вибраций, внезапные изменения скорости и давления, инородные твердые частицы и т.д. Масло проходит между двумя камерами через отверстие малого диаметра, которое препятствует тенденции уплотнения и пружинной мембраны к отходу, что обеспечивает более плотную и более надежную герметизацию. В больших двигателях с соответственно большими уплотнениями отверстие, которое является слишком малым, может вызывать слишком медленную реакцию уплотнения, что может вызвать механическое повреждение, чрезмерный износ и даже поломку. Отверстие, которое является слишком большим, может не поглотить весь спектр возможных вибраций. Для более крупных двигателей с более крупными уплотнениями надлежащее решение даст отверстие большего диаметра с подпружиненными ограничительными клапанами (995). В верхней камере (967) расположено впускное отверстие (969) для масла, а в нижней камере (967А) расположено выпускное отверстие (968) для масла. Аналогичным образом впускное отверстие может быть расположено в нижней камере (967А), а выпускное отверстие может быть расположено в верхней камере (967). Выпускное отверстие (968) для масла соединено с предохранительным клапаном (990), который является регулируемым или заранее установленным на уровень давления, который соответствует расчетной силе контакта уплотнения с периферической поверхностью ротора.
Масло поступает в камеру (967) через впускное отверстие (969), протекает в камеру (967А) через сквозное отверстие (960) и затем продолжает вытекать из камеры (967А) через выпускное отверстие (968) регулируемого предохранительного клапана (990). Циркуляция под регулируемым давлением охлаждает буферное уплотнение и обеспечивает постоянный контакт при постоянном давлении с контуром ротора. Масло под давлением в камерах (967) и (967А) также смазывает конец уплотнения. Уплотнение может быть сделано из пористого синтетического металла, через который масло может проникать к краю конца уплотнения таким образом, что достаточное количество масла будет постоянно смазывать контактную область между буферным уплотнением и контуром ротора. В мембране (962) высверливаются отверстия (964) малого диаметра в пределах той ее зоны, которая соединяет основание буферного уплотнения (904), для того, чтобы масло проникло к уплотнению. В качестве альтернативы, если уплотнения выполнены не из пористого материала, могут быть выполнены малые отверстия (970), используемые в качестве каналов для передачи масла к концу уплотнения. Количество масла может быть ограничено посредством установки ограничительных жиклеров (971) внутри отверстий.
Фиг.9С иллюстрирует узел буферного уплотнения, показанного на Фиг.9В в ситуации, при которой двигатель не функционирует, и уплотнение (904) нагружено только усилием предварительного натяга мембранной пружины (962). Это - ситуация, характерная для запуска двигателя.
Фиг.9D иллюстрирует узел буферного уплотнения, показанного на Фиг.9В при работе двигателя, когда масло под давлением подается к камерам (967) и (967А). Уровень давления масла регулируется предохранительным клапаном (990), который определяет силу контакта уплотнения с периферическим контуром ротора. На практике регулятор давления может быть расположен вне двигателя, так что контактное давление буферных уплотнений можно регулировать в любое время в целях разработки и тестирования или для достижения наилучших рабочих характеристик при обычном использовании.
Фиг.9Е иллюстрирует, как контактное давление между уплотнением (904) и периферическим контуром ротора (902) может поддерживаться на постоянном уровне, за счет подвода рабочего давления двигателя к обеим сторонам уплотнения. Такой подвод давления устраняет любое влияние внутреннего давления двигателя на давление в контакте буферных уплотнений с ротором независимо от уровня внутреннего давления двигателя.
Таким образом на Фиг.9В-9Е показаны буферные уплотнения, содержащие систему амортизации, включающую масляный демпфер, или регулятор контактного давления, или каналы, выполненные в буферном уплотнении для выравнивания давления между ними и ротором или их комбинацию.
На Фиг.10А-Е показан вариант реализации уплотнения вершины ротора, который желателен в системах безнаддувных двигателей (то есть без турбокомпрессора), но может также функционировать с любыми другими вариантами реализации, описанными выше. Внешняя часть уплотнения (1006), как показано на фиг.10А, выполнена как составная часть вершины ротора (1002) и способна вдвигаться и выдвигаться, что необходимо для достижения постоянного контакта с корпусом ротора внутри контура. Внешняя поверхность совмещения между границей уплотнения с ротором скошена, что можно видеть на Фиг.10Е, которая представляет собой вид спереди ротора (1002) и уплотнения (1006) вершины ротора. Скошенная поверхность совмещения использована в таком виде для того, чтобы обеспечить прохождение уплотнения вершины ротора по неподвижному буферному уплотнению в "скользящей" точка контакта, а не в полном поперечном контакте. Уплотнение вершины ротора, показанное на Фиг.10А, сконструировано также таким образом, чтобы устранить влияние центробежной силы с использованием двух различных средств, которые могут быть объединены, или использоваться по-отдельности.
Одно средство для предотвращения влияния центробежной силы представляет собой направляющую (1064). Плоскость направляющей (1064) наклонена, как показано на чертеже, относительно радиальной оси (1070) ротора (1002) в направлении вращения двигателя. В этой ситуации центробежная сила, которая действует на уплотнение вершины ротора, разлагается на два вектора. Как показано на Фиг.10А, один вектор воздействует на уплотнение в направлении выброса, а другой воздействует на ползун (1066) уплотнения вершины ротора в направлении стенки направляющей (1064). Если угол наклона направляющей (1064) составляет, например, 45°, то сила разлагается на два равных вектора, что означает, что только 50% ее полного значения становятся действующей контактной силой на уплотнение. Угол наклона уплотнения вершины (1006) ротора в направлении вращения ослабляет усадку уплотнения вершины ротора, когда это необходимо во время функционирования, и устраняет необходимость размерной подгонки, которое имеет место при перпендикулярных уплотнениях вершины ротора. Основное контактное давление создается плоской волнообразной пружиной (1062), показанной на фиг.10С, расположенной под уплотнением вершины ротора.
Центробежная сила, действующая на уплотнение вершины ротора, возрастает пропорционально квадрату скорости, и при высокой скорости двигателя центробежная сила может достигнуть разрушительного уровня даже при использовании вышеупомянутой наклонной направляющей (1064). Решение для полного уравновешивания центробежной силы получают посредством противовеса. Противовес (1007) вставлен внутрь полости (1008), имеющей ось поворота (точку опоры) (1065). Противовес (1007) находится в зацеплении с ползуном (1066) уплотнения вершины ротора посредством плечиков (1068) рычага, которые направлены в другую сторону от оси поворота (точка опоры) (1065). Плечики (1068) рычага вставлены в соответствующие отверстия (1060) ползуна (1066) уплотнения вершины ротора, которые более подробно показаны на Фиг.10D, и выступают от шарнирной линии (1065), когда двигатель не работает. Когда двигатель функционирует, плечики (1068) рычага прижимаются к оси (1065) поворота, и противовес (1007) удерживается на месте внутри продольных стенок полости (1008). Противовес (1007) может двигаться внутри полости (1008) в двух направлениях, а именно: в радиальном вдоль радиальной оси (1070) по направлению к центру ротора и от него. Когда ротор (1002) вращается с любой заданной скоростью, уплотнение (1006) вершины ротора и противовес (1007) вращаются вместе, подвергаясь действию центробежной силы одинакового значения и одного и того же направления. Когда противовес (1007) совмещается с точкой (1065) опоры, вся его центробежная сила за пределами точки (1065) опоры будет действовать в противоположном направлении и передается уплотнению (1006) вершины ротора посредством плечиков (1068) рычага и их соответствующих отверстий (1060). Требуемое рабочее давление может быть приложено к уплотнению вершины ротора посредством одного или более из нижеследующих факторов: усилия пружины, давления масла или рабочего давления двигателя.
На Фигурах 11А-Е показан другой вариант реализации уплотнения вершины ротора, и он содержит все признаки, описанные в предшествующем варианте реализации (Фигуры 10А-Е), с необходимыми изменениями, со следующими отличиями: на фигурах 11А-Е уплотнение (1066) вершины ротора является плоским и прямоугольным, подобным по форме уплотнению предшествующего уровня техники. Противовес (1107) находится в зацеплении с плоским ползуном (1106) уплотнения вершины посредством плечиков (1168) рычага, которые простираются в направлении другой стороны от точки поворота (точки опоры) (1165). Плечики (1168) рычага вставлены в соответствующие отверстия (1160) в ползуне (1106) уплотнения вершины ротора. Основное контактное давление создается плоской волнообразной пружиной (1162), расположенной под уплотнением вершины ротора.
Фиг.11E-F показывает вариант реализации буферного уплотнения, которое функционирует аналогичным способом, как уплотнение вершины ротора, показанное на Фигурах 10А-Е. Внешняя часть уплотнения (1114), как показано на фиг.11F, выполнена как составная часть выступа корпуса (1112) по малой оси двигателя и может вдвигаться и выдвигаться для достижения постоянного контакта с контуром ротора. Внешняя поверхность совмещения между границей уплотнения с выступом малой оси скошена, что можно видеть на уплотнении (1114), как и на фиг.11G. Скошенная поверхность (1115) уплотнения совмещается со скошенной поверхностью в корпусе, что используется для обеспечения прохождения уплотнения вершины ротора по неподвижному буферному уплотнению в "скользящей" точка контакта, а не в полном поперечном контакте.
Фигуры 12А-F показывают роторное объемное устройство, в целом обозначенное ссылочной позицией 120, которое устраняет недостатки, связанные со сложным вращательным движением роторных двигателей Ванкеля предшествующего уровня техники. Вариант реализации изобретения, изображенный на Фигурах 12А-F, в схематичном виде иллюстрирует каждый ротор полнооборотного концентрического объемного устройства, которое дополнено необходимыми изменениями усовершенствования, описанными выше.
Двигатель, показанный на Фиг.12А, содержит корпус (1201А), который имеет полость (1200) всасывания - сжатия, корпус (1201В), который имеет полость (1280) работы (расширения) - выхлопа, вал (1260А), который несет на себе ротор (1202А) на одном конце и ротор (1202С) на другом конце, при этом ротор (1202А) и ротор (1202С) имеют противоположную ориентацию и вращаются вокруг вала (1260А). Второй вал (1260В) несет на себе другую пару роторов, ротор (1202В) на одном конце и ротор (1202D) на другом конце, при этом ротор (1202В) и ротор (1202D) имеют противоположную ориентацию и вращаются вокруг вала (1260В). РПКС (1228) расположено между корпусом (1201А) и корпусом (1201В), рядом с корпусом ротора на параллельной оси, или внутри корпуса ротора двигателя, совместно занимая тот же самый центральный вал ротора двигателя. РПКС расположен на вершине двух корпусов так, что выпускное отверстие (1219) корпуса (1201А) сообщается с впускным отверстием РПКС (1228), а впускное отверстие (1218) корпуса (1201В) сообщается с выпускным отверстием РПКС (1228). На Фиг.12D показан схематический вид спереди устройства (120) объемного действия, а на Фиг.12Е показан его вид сбоку. Внутри РПКСа (1228) ротор (1222), имеющий форму овала, вращается вокруг вала (1250) синхронно с валом (1260А) и валом (1260В), которые также находятся во взаимном зацеплении посредством зубчатых колес (1265) и (1265А). Топливо впрыскивается в полость (1226), которая служит камерой сгорания, посредством форсунки (1223) и воспламеняется температурой сжатого воздуха в случае, когда используется двигатель с воспламенением от сжатия, или свечой (1203) воспламенения в случае, когда используется двигатель с искровым зажиганием. По мере того, как в полости (1226) РПКС (1228) происходит сгорание, и в полости (1280) работы - выхлопа происходит расширение, в полость (1229) непрерывно в ходе тактического процесса нагнетается свежее количество сжатой текучей среды.
Для того чтобы предотвратить возврат отработанных газов из полости (1226) и полости (1280) в область сжатия, в заднем по ходу конце полости (1226) расположено уплотнение (1204) (см. Фиг.12А). Рабочее давление для уплотнения (1204) подводится от системы смазки двигателя, вследствие чего давление масла, подаваемое через отверстие (1262), попадает на плунжер (1263), который соединен посредством соединительного штока (1264) с уплотнением (1204), как это показано на Фиг.12В. В качестве альтернативы могут использоваться уплотнения, подпружиненные посредством пружины (1266), или сочетание пружины (1266) и давления масла. Турбокомпрессор (1215) добавлен к устройству для того, чтобы увеличить выходную мощность и КПД. Впускное отверстие (1241) турбины (1227) сообщается с выхлопным (выпускным) отверстием (1208) полости (1280), посредством чего отработанные газы отводятся в турбину (1227), которая в свою очередь приводит в действие компрессор (1226), который осуществляет нагнетание в полость (1200) через трубопровод (1240). Полный такт начинается во всасывающем отверстии (1220) компрессора (1226) и завершается в выпускном отверстии (1230) турбины (1227).
Фиг.12С показывает систему центробежного линейного уплотнения этого варианта реализации изобретения для герметизации двух роторов. Металлическое уплотнение (1298), выполненное в форме дуги, вставляется в полости (1299) и (1299А), образованные внутри ротора (1202), таким образом, что большая его часть расположена над центром вращающегося вала (1260). Во время вращения уплотнение (1298) перемещается от центра благодаря действию центробежной силы. Перемещение уплотнения вызывает его контакт с периферией ротора и заставляет уплотнение занять свое место. Аналогичным образом, для достижения эффективной герметизации уплотнение (1298) устанавливается на валах (1260А) и (1260В) ротора, внутри полостей, образованных внутри каждого ротора.
Дополнительные преимущества варианта реализации изобретения, показанного на Фигурах 12А-Е, включают в себя:
a) рабочий сектор, составляющий 180° в отличие от рабочего сектора, составляющего 60° для роторного двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники;
b) при полном обороте (на 360°) двигателя по настоящему варианту реализации изобретения достигаются два рабочих такта, в противоположность одному рабочему такту для одного оборота (на 360°) роторного двигателя Ванкеля предшествующего уровня техники;
c) имеет место полностью уравновешенное вращение, которое упрощает проектирование и конструкцию двигателя и устраняет серьезные проблемы с балансировкой, и ограничения скорости двигателя, в отличие от двигателей Ванкеля предшествующего уровня техники, которые имеют эксцентриковый вал, обусловливающий сложное движение ротора с зубчатым венцом; и
d) в настоящем варианте реализации изобретения вал двигателя и роторы вращаются с одной и той же скоростью, в то время как в двигателях Ванкеля предшествующего уровня техники вал двигателя вращается в три раза быстрее ротора.
Фиг.12F иллюстрирует конструкцию, аналогичную той, что описана на Фигурах 12А-Е, хотя конфигурация роторов (1272Р -S), показанная на Фиг.12F, отличается от роторов (1202А-D), показанных на Фиг.12А. Каждый из роторов (1272Р-S) имеет криволинейный профиль и, по меньшей мере, один выпуклый участок (1273) зацепления и один вогнутый участок (1274) зацепления, которые имеют такую форму, что выпуклый участок (1273) зацепления одного ротора входит в вогнутый участок (1274) зацепления другого ротора при их вращении. Соответственно, такое зацепление двух участков (1273), и (1274) обеспечивает изоляцию, вследствие чего текучая среда, остающаяся между упомянутыми двумя соседними участками (1273) и (1274) выдавливается из промежутка между ними, предотвращая смешивание свежего количества рабочей смеси с остатком предыдущего количества. Роторы, показанные на Фиг.12F, обеспечивают повышенную герметизацию, так как они имеют гораздо больший сектор перекрытия по сравнению с роторами, показанными на Фиг.12А, и также позволяют ввести большее количество рабочей смеси, чем роторы, показанные на Фиг.12А, притом что роторы, показанные на Фигурах 12А и 12F, имеют по существу равную длину и ширину, благодаря другой форме, роторов (1272А-D), которые занимают соответственно меньший объем внутри корпуса. Кроме того, выпуклые участки (1273) зацепления, имеющиеся в роторах (1272Р-S), показанных на Фиг.12F, имеют более короткий окружной размер чем у роторов (1260А-D), показанных на Фиг.12А, что обеспечивает увеличенный открытый сектор впускных отверстий, так что в корпус ротора может быть введено повышенное количество рабочей смеси, чтобы использовать дополнительный объем. С другой стороны, роторы, показанные на Фиг.12А, способны обеспечить более высокую степень сжатия, чем роторы, показанные на Фиг.12F, поскольку вокруг впускного отверстия остается меньший незанятый объем, по сравнению с роторами, показанными на Фиг.12F. Тем не менее, расчетная степень сжатия является функцией отношения большего диаметра к меньшему диаметру ротора. В двигателях, показанных на Фиг.12А и Фиг.12F, легко достижима любая степень сжатия современных двигателей с искровым зажиганием и двигателей с воспламенением от сжатия. Хотя РПКС (1281) показано имеющим четыре вогнутых стенки (1282), должно быть понятно, что РПКС, показанное на Фигурах 12А и 12F, может быть реализовано в виде любого РПКС по настоящему изобретению, включая устройство с переменной степенью сжатия.
Фигуры 13А-I демонстрируют состоящий из девяти этапов цикл в варианте реализации изобретения, показанном на Фигурах 12А-F, в котором каждый из этапов А-I иллюстрирует угловое смещение, связанное с последовательным поворотом двигателя на приблизительно 45°. В целях ясности стрелки и черная точка на одной вершине каждого ротора указывают относительное движение каждого элемента двигателя.
Фиг.14А показывает вариант реализации устройства регулятора потока, в целом обозначенного ссылочной позицией 1400, имеющего 3 полусферические камеры (1418) сгорания, по одной для каждого края ротора двигателя. Камеры оборудованы охлаждающими ребрами (1427) и герметизированы посредством кольцевых уплотнений (1420) с тем, чтобы герметизировать промежуток между ротором (1417) и корпусом (1416) ротора вокруг отверстия камеры сгорания.
Фиг.14В представляет собой схематический вид сбоку по Фиг.14А, который показывает расположение впускных отверстий (1424) и выпускных отверстий (1412) устройства регулятора потока для пояснения, как остаток давления сжатия может выдувать остаточный отработанный газ из камеры (1418) сгорания в пределах узкого сектора перекрытия в конце такта сжатия и близко к концу такта расширения, соответствующему времени, в которое давление сжатия является более высоким, чем давление расширения (рабочее давление). От выпускного отверстия (1412) по направлению к впускному отверстию (1424) простирается малое удлиненное отверстие (1430) на такое расстояние, которое делает возможным короткое перекрытие камерой (1418) сгорания удлиненного отверстия (1430) и малую открываемую площадь (1431) впускного отверстия (1424). Поскольку давление сжатия находится на своем максимальном уровне, а давление расширения находится по существу на своем самом низком уровне, короткий порыв сжатого воздуха вычищает остаточный газ - продукт сгорания из камеры сгорания. Этот процесс происходит после того, как сторона сжатия камеры сгорания уже заполнена, и отверстие (1412) более не открыто, так что предпочтительно, чтобы воздух, который используется для очищающего действия, имел относительно малое количество, которое запирается внутри выпускного отверстия (1412).
На Фигурах 15А и 15В проиллюстрирован другой вариант реализации РПКС. Проиллюстрированное РПКС, обозначенное ссылочной позицией 1500, предназначено для изменения степени сжатия во время функционирования, в зависимости от плотности воздуха или любого другого заданного фактора, такого как тип топлива, изменение погоды, функционирование в очень холодных погодных условиях и т.д.
Ротор (1527) двигателя вращается внутри корпуса (1513), например, в направлении по часовой стрелке, как это проиллюстрировано на чертеже, и сжимает воздух в полости (1511) сжатия. Сжатый воздух подается в соответствующую камеру сгорания, например камеру (1518А) сгорания, РПКС (1500) через его впускное отверстие (1512). Объем камеры (1518А) имеет свое максимальное значение, поскольку поршень (1514) находится в нижней точке своего хода. Ходом поршня управляют посредством кулачка (1522), расположенного практически в центре РПКС (1500) и толкателя (1521) кулачка, выполненного как единое целое с телом поршня у основания каждого поршня. По мере того, как роторы (1527) двигателя и роторы (1517) РПКС продолжают вращаться, ротор (1527) завершает такт сжатия, и впускное отверстие (1512) закрывается ротором (1517) регулятора потока. По мере того, как упомянутый ротор (1517) регулятора потока продолжает вращаться, соответствующий поршень (1514) перемещается своим толкателем (1521) кулачка и кулачком (1522) в направлении верхней части его цилиндра, тем самым еще более увеличивая давление сжатия. Повышение давления в камере (1518А) сгорания прекращается, когда вслед за последующим поворотом ротора (1517) регулятора потока открывается выпускное отверстие (1524), ведущее в полость (1526) расширения, находящуюся в двигателе, и текучая среда, содержащаяся в камере (1518А) сгорания, поступает в полость (1526) расширения.
Кулачок (1522), который вызывает перемещение поршня (1514), установлен на центральный вал (1523). Упомянутый центральный вал (1523) может поворачиваться по часовой стрелке и против часовой стрелки рычагом (1519) или любым другим аналогичным средством, которое управляется автоматическим или ручным приспособлением, имеющим соответствующую возможность для управления поворотом центрального вала (1523). Когда рычаг (1519) поворачивает центральный вал (1523) и кулачок (1522) в направлении движения вперед против часовой стрелки, соответствующий поршень (1514) переместится дальше по направлению к верхней части цилиндра перед тем, как выпускное отверстие (1524) будет открыто ротором регулятора потока, что вызывает увеличение давления внутри соответствующей камеры (1518) сгорания. Когда рычаг (1519) поворачивает центральный вал (1523) и кулачок (1522) в направлении движения назад по часовой стрелке, выпускное отверстие (1524) будет открыто для камеры (1518) сгорания, в то время как соответствующий поршень (1514) находится в нижнем положении внутри своего цилиндра, и, следовательно, внутри соответствующей камеры (1518) сгорания будет создано более низкое давление.
При использовании двигателя с воспламенением от сжатия топливо впрыскивается в камеру (1518) сгорания в оптимальное заданное время, такое чтобы позволить ему сгореть полностью прежде, чем ему откроется выпускное отверстие (1524). Уровень давления воздуха во время впрыскивания топлива очень важен в том, что касается запуска в холодном состоянии и нормального функционирования, особенно когда окружающий воздух имеет низкую плотность, такую, которая обычно имеет место на больших высотах или при очень холодных погодных условиях.
При использовании двигателя с искровым зажиганием искра воспламеняет смесь воздуха и топлива в оптимальное заданное время, такое чтобы вся или большая часть смеси могла полностью сгореть прежде, чем ей откроется выпускное отверстие (1524). Что касается двигателя с искровым зажиганием, то степень сжатия может быть автоматически настроена в зависимости от таких параметров, как октановое число топлива, плотность воздуха и температура окружающей среды, посредством датчика детонационного сгорания, который может управлять устройством изменения коэффициента сгорания (не показанным на чертеже), предназначенным для того, чтобы управлять рычагом (1519) в зависимости от вышеупомянутых параметров для обеспечения максимальных рабочих характеристиках без какого-либо риска повреждения. РПКС (1500) сконструировано таким образом, что вершина кулачка (1522) доводит поршень до верхней части цилиндра. После того, как камера (1518) сгорания сообщается с выпускным отверстием (1524), поршень (1514) продолжает двигаться вверх в своем цилиндре до достижения его верней точки, заставляя весь отработанный газ выйти из камеры сгорания. Этой операцией достигаются две важных цели: 1) вся сожженная топливовоздушная смесь участвует в процессе, производящем работу в такте расширения, и 2) остаточные отработанные газы не остаются в камере сгорания в начале нового такта. По мере того, как вращение продолжается, поршень (1514) опускается внутри цилиндра внешней стенкой кулачка (1522) для того, чтобы увеличить объем камеры сгорания до максимального значения в ходе подготовки к новому такту.
Фигуры 16А и 16В иллюстрируют другой вариант реализации РПКС с регулируемой степенью сжатия, который обозначен ссылочной позицией 1600. РПКС (1600) функционирует аналогично РПКС (1500), показанному на Фигурах 15А и 15В и имеет те же самые преимущества. РПКС (1500) и РПКС (1600) различаются в том, что касается конфигурации кулачка и толкателя кулачка. Эксцентрик (1622), показанный на Фигурах 16А и 16В, имеет силовое замыкание и предназначен для перемещения поршня (1614) посредством соответствующего толкателя (1621) кулачка только по направлению к верхней части цилиндра. Поршень возвращается обратно посредством соответствующего набора предварительно нагруженных пружин (1630) и давления сжатого газа внутри камер (1618) сгорания. Поршень прижимается к кулачку (1622) сначала давлением сжатия и впоследствии давлением сгорания. Давление газа вместе с прилагаемой нагрузкой пружин (1630) предназначено для преодоления центробежной силы, действующей на поршни (1614) при вращении ротора (1617). Кроме того. Фиг.16В показывает каким образом поршни расположены внутри ротора с углом (α) наклона для минимизации общего размера всего устройства регулятора потока. Наклоняя толкатели (1621) кулачка относительно соответствующего набора пружин (1630), можно разместить поршни (1614Т-V) ближе друг к другу, что обеспечивает большую компактность РПКС.
Аналогично РПКС (1500), показанному на Фиг.15А, степень сжатия регулируется угловым перемещением кулачка (1622), который соединен посредством вала (1623) с рычагом (1619). Угловое перемещение рычага (1619) и кулачка (1622) против часовой стрелки увеличит степень сжатия, поскольку поршни камер сгорания будут достигать более высокой точки в цилиндре прежде, чем будет открываться выпускное отверстие (1624), и наоборот, угловое перемещение рычага (1619) по часовой стрелке уменьшит степень сжатия, поскольку открывание выпускного отверстия (1624) будет происходить при нахождении поршня (1614) в более низкой точке в своем цилиндре. Этот процесс реализуется в случае, когда ротор (1617) РПКС и главный ротор двигателя вращаются, двигаясь по часовой стрелке. В случае вращения упомянутых роторов против часовой стрелки функционирование двигателя происходит в противоположной последовательности.
Фиг.17 иллюстрирует другой вариант реализации РПКС с регулируемой степенью сжатия, который обозначен ссылочной позицией 1700. В этом варианте реализации изобретения перемещением поршней (1714) внутри соответствующих цилиндров ротора (1728) управляют посредством эксцентрикового вала (1722) и соединительных штоков (1733). Эксцентриковый вал (1722) выполнен как единое целое с центральным валом (1723), расположенным по существу в центре РПКС (1700). При вращении внутри корпуса (1734) ротор (1728) заставляет ступицу (1736) вращаться посредством пальца (1725), находящегося в прорези (1726), выполненной в роторе (1728). Это зацепление выполнено таким образом для того, чтобы сделать возможным относительное прямолинейное перемещение ступицы (1736), установленной на эксцентриковом валу (1722), относительно ротора (1728), установленного на центральном валу (1731). Центральный вал (1731) приводится в движение посредством зубчатого колеса (1730). Поскольку ступица (1736), на которой закреплен палец (1725) зацепления, вращается вокруг эксцентрикового вала (1722), а ротор (1728) вращается вокруг центрального вала (1731), то при каждом обороте эксцентрикового вала (1722) имеет место относительное прямолинейное перемещение между ротором (1728) и втулкой (1736), длина которого по существу равна эксцентриситету эксцентрикового вала (1722). Прорезь (1726) обеспечивает прямолинейное перемещение пальца (1725). Поршни (1714) соединены со ступицей посредством соединительных штоков (1733). В то время как ротор (1728) вращается вместе с поршнями (1714), последние также линейно смещаются внутри соответствующих цилиндров на величину смещения, равную двукратному значению эксцентриситета вала (1722). Этот механизм выполнен таким образом, что поршни находятся близко к верхней части цилиндра приблизительно в секторе, где он достигает выпускного отверстия (1724). Любое угловое перемещение рычага (1719) центрального вала (1723), с которым соединен эксцентриковый вал (1722), вызовет изменение степени сжатия аналогично тому, как в РПКС, показанном на Фигурах 15А и 16А.
Фигуры 18А и 18В иллюстрируют вариант реализации настоящего изобретения, в котором РПКС установлен параллельно стороне главного корпусного блока двигателя. В этом варианте реализации РПКС, который обозначен ссылочной позицией 1800, ориентация поршней (1814 1-3) параллельна валу (1823) двигателя и осевой линии РПКС (1800). Кулачок (1822) вызывает перемещение поршней (1814 1-3) в направлении, параллельном валу (1823) двигателя. Предпочтительно, чтобы направление вращения ротора (1817) регулятора потока было в направлении, противоположном направлению вращения двигателя для того, чтобы использовать вращение вала (1823) двигателя в максимальной степени и таким образом обеспечить максимальную продолжительность каждого такта. Для синхронизации вращения вала (1823) двигателя и ротора (1817) регулятора потока может быть использована зубчатая передача. Главный вал (1823) двигателя снабжен зубчатым колесом (1831), служащим ведущим для ведомого зубчатого колеса (1830) ротора (1817) регулятора потока. Кулачок (1822), который перемещают поршни посредством их соответствующих толкателей (1821), выдвигается и отводится назад посредством рычага (1819) и вала (1842) для того, чтобы управлять степенью сжатия, как было описано выше в отношении вариантов реализации изобретения, показанных на Фигурах 15-17. РПКС (1800) имеет преимущество в компактности и в очень малом влиянии на общий размер двигателя.
Фигуры 19А-С иллюстрируют три различных способа приведения в движение ротора регулятора потока (1917). Независимо от конфигурации ротора двигателя и РПКС передача для приведения в движение ротора (1917) регулятора потока выбирается прежде в зависимости от типа двигателя. Как можно заметить, три различные передачи, показанные на Фигурах 19А-С, соответственно, предназначены для понижения скорости вала (1923) двигателя, так что вал (1913) РПКС будет вращаться с угловой скоростью, равной угловой скорости ротора (1927) двигателя, которая составляет, например, одну треть скорости вала (1923) двигателя. Сниженная скорость вала (1913) РПКС облегчает отбор мощности от двигателя. Каждый тип передачи может передавать мощность дополнительным агрегатам двигателя, таким как масляные насосы, топливные насосы, уравновешивающие валы, и т.д.
Передача (1912), показанная на Фиг.19А, расположена на задней стороне вала (1923) двигателя, в то время как вал РПКС (1913) направлен в противоположную сторону для того, чтобы приводить в действие пропеллер, или любой другой соответствующий элемент, посредством соединительного фланца (1925). Передача (1912А), показанная на Фиг.19В, расположена на передней стороне вала (1923) двигателя. Передача, показанная на Фигурах 19А и 19В, относится к типу зубчатых передач, в то время как передача (1910), показанная на Фиг.19С, является цепной или ременной.
Фигуры 20А-С иллюстрирует один из предпочтительных вариантов реализации двигателя, в целом обозначенной ссылочной позицией 2000, в соответствии с настоящим изобретением, в котором РПКС составляет единое целое с ротором (2020) двигателя. Камера (2018) сгорания с постоянным объемом герметизирована по отношению к боковой стенке (2015) корпуса посредством кольцевых уплотнений (2021). Ротор (2020) двигателя, как показано, выполняет такт сжатия внутри полости (2011) впуска - сжатия. После дополнительного поворота ротора (2020) двигателя впускное отверстие в камеру (2018) сгорания совпадает с перепускным отверстием (2012), после чего сжатая текучая среда, которая обычно является воздухом, перемещается в камеру (2018) сгорания. Следуя дальнейшему повороту ротора (2020) двигателя, заполненная камера (2018) сгорания продвигается к полости (2013) расширения - выхлопа.
Угловое смещение камеры (2018) сгорания, соответствующее положению, в котором перепускное отверстие (2012) полости (2011) всасывания - сжатия закрывается, и положению, в котором отверстие (2024), ведущее из камеры (2018) сгорания в полость (2013) расширения, открывается, составляет приблизительно от 65° до 75°. Во время упомянутого углового смещения камеры (2018) сгорания относительная угловая и окружная скорость вершины (2025) ротора снижается приблизительно на 33% по причине смещения центра вращения ротора относительно вала двигателя, что хорошо известно специалистам в данной области техники. В течение увеличенного периода времени для процесса сгорания внутри камеры сгорания угловое смещение ротора (2020) двигателя составляет приблизительно 68°, в то время как угловое смещение вала (2023) составляет приблизительно 285°. В результате период времени, составляющий приблизительно 0,02 секунды, при вращении вала с частотой 4000 оборотов в минуту достаточен для того, чтобы позволить сгоранию закончиться до того, как отверстие (2024) откроется в камеру (2018) сгорания, и текучая среда выйдет через него в полость (2013), чтобы выполнить полезную работу.
На другом конце малой оси выпускное отверстие камеры (2018) сгорания совпадает с отверстием (2032) сброса давления и упомянутая камера (2018) сгорания, следовательно, может выпустить остаточный отработанный газ в выхлопное отверстие (2054). После поворота на несколько градусов камера (2018) сгорания сообщается с продувочным отверстием (2031) и в течение короткого промежутка времени отверстие (2032) сброса давления и продувочное отверстие (2031) соединены через камеру (2018) сгорания. Подаваемая турбокомпрессором текучая среда под давлением, которая обычно представляет собой воздух, поступающий через отверстие (2052), очищает камеру (2018) сгорания и направляется через продувочное отверстие (2032) к выхлопному отверстию (2054).
На Фиг.20С система (2000) двигателя снабжена двумя камерами (2018) сгорания для каждой грани ротора. При использовании системы двигателя, имеющей две камеры сгорания для каждой грани ротора, устраняется боковое давление от ротора (2020) в направлении противоположной стенки (2050) корпуса, и, кроме того, может быть реализована более компактная камера сгорания, которая необходима для более крупных двигателей.
Фигуры 20D и 20Е иллюстрируют другой вариант реализации двигателя (2000), показанного на Фиг.20В, в котором РПКС использует средство ослабления бокового давления, так что боковое давление значительно снижено на Фиг.20Е и полностью устранено на Фиг.20D. Боковое давление обычно действует на одну из боковых стенок (2015) корпуса ротора, когда такое ослабляющее средство не используется, из-за давления сжатия и сгорания у противоположной боковой стенки, увеличивая тем самым трение между ротором (2020) и стенкой (2015) корпуса.
На Фиг.20D полусферическая или имеющая аналогичную форму камера (2018) сгорания, которая составляет единое целое с ротором (2020) двигателя и расположенная на одной его стороне, сообщается посредством отверстия (2030) малого диаметра, выполненного в роторе (2020) с очень неглубокой выемкой (2032) на противоположной стороне ротора (2020). Неглубокая выемка (2032) герметизирована посредством кольцевых уплотнений (2021) таким же образом, как камера (2018) сгорания герметизирована на противоположной стороне ротора (2020). Спроецированная площадь поверхности неглубокой выемки (2032) по существу равна этой площади отверстия камеры (2018) сгорания, и кольцевые уплотнения (2021) камеры (2018) сгорания имеют по существу тот же самый диаметр, что у кольцевых уплотнений (2021) неглубокой выемки (2032). Когда давление сжатия и, вслед за этим, давление сгорания возникает внутри камеры (2018) сгорания, результирующее давление передается в неглубокую выемку (2032) на противоположной стороне ротора (2020) через высверленное отверстие (2030) для того, чтобы уравновесить боковое давление, создаваемое сжатием и сгоранием внутри камеры сгорания. Неглубокая выемка (2032) необходима для того, чтобы предотвратить блокирование высверленного отверстия (2030) боковой стенкой (2015). Спроецированная площадь поверхности отверстия камеры (2018) сгорания и неглубокой выемки (2032) определяется по спроецированной площади поверхности, которая ограничена внутренним кольцевым уплотнением (2021).
На Фиг.20Е средство ослабления бокового давления используется для того, чтобы в значительной мере и простым способом снизить боковое давление. Камера (2018) сгорания имеет полностью сферическую форму и расположена в роторе (2020) приблизительно в том же самом месте, что и камеры сгорания, показанные на Фигурах 20А-D. Отверстие (2017) камеры (2018) сгорания сужено и удлинено для того, чтобы, с одной стороны, минимизировать его эффективную площадь поверхности, а с другой стороны, быть достаточно длинным для того, чтобы обеспечить впрыскивание топлива в пределах данного сектора поворота ротора (2020). Спроецированная площадь поверхности отверстия (2017) может составлять приблизительно от 25% до 40% спроецированной площади поверхности, которая заключена внутри окружности, определенной максимальным диаметром камеры (2018) сгорания. При обеспечении такого снижение спроецированной площади поверхности отверстия (2017), может быть реализовано снижение в диапазоне от 60% до 75% боковой силы, создаваемой сжатием и сгоранием внутри камеры (2018) сгорания, поскольку давление, создаваемое камерой сгорания, действует на меньшую эффективную площадь. Отверстие (2017) герметизировано относительно боковой стенки корпуса ротора посредством уплотнения (2021).
Аналогичным образом, может использоваться относительно узкая и глубокая камера сгорания, в которой эффективные площади поверхности отверстия и камеры сгорания являются по существу одинаковыми.
Фигуры 21А и 21В иллюстрируют другой вариант реализации двигателя, в целом обозначенного ссылочной позицией 2100, в котором РПКС с переменной степенью сжатия составляет единое целое с ротором (2120) двигателя. При вращении ротора (2120) наклонный и снабженный канавкой кулачок (2148) управляет прямолинейным перемещением поршня (поршней) (2114) внутри соответствующих цилиндров (2115), выполненных в роторе (2120). Относительное положение поршня (2114) в его цилиндре определяет объем соответствующей камеры (2118) сгорания и, следовательно, управляет степенью сжатия. Контур снабженного канавкой кулачка (2148) подобен по форме внутреннему контуру эпитрохоидального корпуса (2116) ротора, имеет меньший размер, а также траекторию, соответствующую смещению поршней (2114), которые расположены около вершин (2125) ротора (2120). Снабженный канавкой кулачок (2148) соединен с корпусом (2116) ротора посредством втулки (2149), имеющей сферический шарнир (не показанный на чертеже), на котором установлен этот снабженный канавкой кулачок (2148). Степень наклона снабженного канавкой кулачка (2148) регулируется приспособлением (2140) с механическим приводом, которое реагирует на показания датчиков, определяющих условия окружающей среды, таких как плотность воздуха, температура, или любые другие соответствующие параметры. Качательное перемещение снабженного канавкой кулачка (2148) передается поршню (2114) посредством коромысла (2144), которое следует траектории, определенной канавкой кулачком (2148), и поршневого пальца (2146), которым поршень (2114) соединен с плечиком (2144) рычага. В дополнение к поршневому пальцу (2146), относительное угловое перемещение между коромыслом (2144) и поршнем (2114) обеспечено благодаря шарнирному пальцу (2143), который соответствующим образом закреплен на роторе (2120) двигателя. Коромысло (2144) изменяет свое угловое положение по отношению к углу наклона его направляющего снабженного канавкой кулачка (2148) посредством своего профилированного конца (2110). Снабженный канавкой кулачок (2148) соединен с управляющим им приспособлением посредством соединительного штока (2142). Поршень (2114) может быть перемещен любым другим средством, известным специалистам в данной области техники, подходящим для преобразования качательного перемещения в возвратно-поступательное прямолинейное перемещение. Двигатель (2100) имеет такую конструкцию, что объем камеры (2118) сгорания имеет максимальное значение, когда она принимает сжатую текучую среду из полости сжатия, и минимальное значение, регулируемое приспособлением (2140) под действием части (2142), для передачи продуктов сгорания в полость расширения в начале каждого рабочего такта двигателя.
Фигуры 22А и 22В иллюстрируют другой вариант реализации двигателя, в целом обозначенного ссылочной позицией 2200, в котором РПКС с переменной степенью сжатия составляет единое целое с ротором (2220) двигателя, который снабжен двумя камерами для каждой грани ротора. При вращении ротора (2220) снабженный двумя канавками кулачок (2248) управляет прямолинейным перемещением поршня (поршней) (2214) внутри соответствующих цилиндров (2215), выполненных в роторе (2220). Положение поршня (2114) в его цилиндре определяет объем соответствующей камеры (2118) сгорания и, следовательно, управляет степенью сжатия. Контур кулачка (2248) подобен по форме внутреннему контуру эпитрохоидального корпуса (2216) ротора, имеет меньший размер, а также траекторию, соответствующую смещению поршней (2214), которые расположены около вершин (2225) ротора (2220). Снабженный двумя канавками кулачок (2248) составляет единое целое с втулкой (2249). Перемещение, соответствующее траектории, определенной снабженным двумя канавками кулачком (2248), передается поршню (2214) посредством коромысла (2244) и поршневого пальца (2246), которым поршень (2214) соединен с коромыслом (2244). В дополнение к поршневому пальцу (2246), угловое перемещение между коромыслом (2244) и поршнем (2214) обеспечено благодаря шарнирному пальцу (2243), который соответствующим образом закреплен на роторе (2220) двигателя. Коромысло (2244) изменяет свое угловое положение по отношению к имеющей форму канавки дорожке на снабженном двумя канавками кулачке (2248) посредством своего профилированного конца (2210). Снабженный двумя канавками кулачок (2248) способен изменять степень сжатия двигателя посредством углового перемещения по часовой стрелке или против часовой стрелки, аналогично двигателям, показанным на Фигурах 15-18. Это угловое перемещение передается снабженному двумя канавками кулачку (2248) посредством внешнего рычага (2219), шагового электродвигателя (2259) или любого другого соответствующего средства. Смещение поршней (2214) может быть осуществлено любым другим средством, известным специалистам в данной области техники, предназначенном для преобразования качательного перемещения в возвратно-поступательное прямолинейное перемещение. Двигатель (2200) имеет такую конструкцию, что объем камеры (2218) сгорания имеет максимальное значение, когда она принимает сжатую текучую среду из полости сжатия, и имеет минимальное значение в момент передачи продуктов сгорания в полость расширения в начале каждого рабочего такта двигателя. К концу рабочего такта поршни (2214) смещаются в максимальной степени, находясь вблизи верхней части соответствующего цилиндра (2215), так чтобы удалить остающийся отработанный газ из соответствующей камеры (2218) сгорания. По мере того, как ротор (2220) продолжает вращаться, поршни (2214) отводятся назад к их положению при максимальном объеме, или к нижней мертвой точке (НМТ). Чтобы избежать мертвого хода, поршни нагружены посредством пружины (2245). Должно быть понятно, что подпружиненный поршень можно также смещать посредством кулачка, при этом пружины обеспечивают перемещение в направлении, противоположном перемещению, обусловленному кулачком, или любым другим подобным средством.
Хотя в качестве иллюстрации были описаны некоторые варианты реализации изобретения, должно быть понятно, что изобретение может быть осуществлено на практике со многими модификациями, изменениями и переделками, и с использованием многочисленных эквивалентов или альтернативных решений в пределах возможностей специалистов в данной области техники без выхода за рамки сущности изобретения или выхода за границы объема формулы изобретения.