ТРЁХЗОННЫЙ МНОГОЛОПАСТНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
THREE-ZONE MULTI-BLADE ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве привода в различных машинах, стационарных и передвижных энергетических установках в автомобильной, тракторной, электроэнергетической и других отраслях промышленности, связанных с изготовлением и эксплуатацией различных транспортных средств и силовых установок.
Изобретение предлагает устройство роторного двигателя, внутренние пространство которого разделено на следующие независимые области (зоны):
•  область сжатия, в которой происходит засасывание топливной смеси и в которой происходит сжатие топливной смеси,
•  область, в которой находится камера зажигания, где происходит зажигание топливной смеси,
•  область расширения (рабочая камера), где происходит расширение сгорающего топлива и преобразование энергии газов в механическую работу, в которую газы из камеры сгорания перетекают через тело ротора.
Через внутреннее пространство двигателя проходит многолопастный ротор таким образом, что внутри вала ротора располагается камера зажигания двигателя, которая, в свою очередь, расположена вдоль центральной оси цилиндрического корпуса двигателя и входит в области сжатия и расширения двигателя, так что ротор вращается вокруг неподвижной камеры зажигания.
В корпус двигателя в области (зоны) расширения и сжатия входят задвижки, которые в задвинутом состоянии с лопастями ротора образуют рабочие камеры, в которых происходят процессы расширения газов горения топливной смеси в области расширения, сжатия и засасывание топливной смеси соответственно в областях сжатия и зажигания.
Таким образом, при вращении ротора в двигателе происходят следующие процессы:
• в области расширения  создаются камеры расширения, где происходит преобразование энергии газов горения в механическую работу,
• в области сжатия  создаются камеры сжатия, где происходит засасывание и сжатие топливной смеси,
• в камеру зажигания закачивается сжатая топливная смесь.
Количество лопастей ротора, входящих в область расширения, четное.
Количество задвижек, входящих в область расширения и сжатия, равно количеству лопастей ротора входящих в область расширения.
Количество лопастей ротора входящих в область сжатия меньше количества лопастей ротора, входящих в область расширения, в два раза.
Известны многочисленные роторные ДВС, в которых засасывание горючей смеси, ее сжатие и сгорание происходит в рабочей камере, что приводит к эксцентрическому вращению ротора вокруг вала (двигатель Ванкеля), что, общепризнано, приводит к многочисленным недостаткам такого рода двигателей, или для обеспечения планетарного вращения ротора приходится выносить камеру сгорания, куда выдавливается сжимаемая ротором в рабочей камере ротора топливная смесь и где происходит зажигание смеси, за приделы рабочей камеры двигателя, в которой происходит вращение ротора (патенты RU 2161708, RU 2163678), что в свою очередь приводит к снижению характеристик смеси, падению компрессии в камере сгорания и, как следствие, к потерям мощности, что является существенными недостатками этих двигателей.
Во всех ныне существующих роторных двигателях процесс преобразования энергии газов горения в механическую работу (цикл расширения), засасывание и сжатие топливной смеси происходят в рабочей камере, следовательно, на полезный цикл расширения приходится лишь часть хода ротора в рабочей камере, что приводит к неполному использованию энергии газов горения и выбросу отработанных газов из двигателя под достаточно большим давлением.
В представляемом здесь изобретении область, в которой создаются рабочие камеры, в которых происходит преобразование энергии газов горения во вращение ротора, и область, в которой создаются камеры, в которых происходит засасывание воздуха и сжатие топливной смеси, и область, в которой происходит зажигание топливной смеси, разделены.
Соответственно, объемы этих камер независимы.
Таким образом, в цикле расширения используется объем, который не зависит от объемов, где происходит подготовка и зажигание горючей смеси, что позволяет сделать его достаточного размера, чтобы получать на выходе отработанные газы на уровне атмосферного давления и, следовательно, полностью использовать энергию газов сгорания топлива.
Кроме того, газы горения топлива в двигателе предлагаемой здесь схемы перетекают из камеры, в которой происходит зажигание топливной смеси, в рабочие камеры через тело ротора и выходят под давлением из сопел, расположенных в крыльях ротора, следовательно, вместе с давлением газов горения на крылья ротора действует реактивная сила, истекающая из них, под давлением газов горения, что будет увеличивать мощность двигателя.
На один оборот вала представляемый здесь многолопастный роторный двигатель будет осуществлять количество рабочих циклов, равное количеству лопастей, создающих камеры расширения.
Если лопастей - 2, то за один оборот вала двигатель выполнит два рабочих цикла (два полуцикла).
Если лопастей - 4, то  за один оборот вала двигатель выполнит четыре рабочих цикла (четыре четверть цикла), 6-6, 8-8, и так далее.
Очевидно, что такая схема двигателя позволяет получать большие КПД и мощность, чем у ныне существующих систем, при меньшем расходе топлива.
На Фиг. 1 представлена общая схема двухлопастного двигателя и соотношение его основных элементов в продольном разрезе.
На Фиг. 2 представлена общая схема корпуса двигателя и соотношение его основных элементов в продольном разрезе.
На Фиг. 3 представлено поперечное сечение камеры зажигания по линии в-в.
На Фиг. 4 представлено поперечное сечение камеры зажигания по линии г-г.
На Фиг. 5 представлено поперечное сечение камеры зажигания по линии д-д.
На Фиг. 6 представлено поперечное сечение камеры зажигания по линии е-е.
На Фиг. 7 представлены общая схема ротора двухлопастного двигателя и соотношение его основных элементов в продольном разрезе.
На Фиг. 8 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения в начале рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 9 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия в начале рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 10 представлено поперечное сечение корпуса двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов корпуса двигателя в области расширения.
На Фиг. 11 представлено поперечное сечение корпуса двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов корпуса двигателя в области сжатия.
На Фиг. 12 представлено поперечное сечение ротора двухлопастного двигателя по линии е-е, показывающее общую схему и соотношение основных элементов ротора, входящих в область расширения.
На Фиг. 13. представлено поперечное сечение ротора двухлопастного двигателя по линии ж-ж, показывающее общую схему и соотношение основных элементов ротора, входящих в область расширения.
На Фиг. 14 представлено поперечное сечение ротора двухлопастного двигателя по линии з-з, показывающее общую схему и соотношение основных элементов ротора, входящих в область расширения.
На Фиг. 15 представлено поперечное сечение ротора двухлопастного двигателя по линии и-и, показывающее общую схему и соотношение основных элементов ротора.
На Фиг. 16 представлено поперечное сечение ротора двухлопастного двигателя по линии й-й, показывающее общую схему и соотношение основных элементов ротора, входящих в область сжатия.
На Фиг. 17 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения в начале рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 18 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия в начале рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 19 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 45°.
На Фиг. 20 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 45°.
На Фиг. 21 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 90°.
На Фиг. 22 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 90°.
На Фиг. 23 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 135°.
На Фиг. 24 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 135°.
На Фиг. 25 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при достижении ротором положения окончания процесса расширения.
На Фиг. 26 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия на последней стадии процесса сжатия топливной смеси и выдавливания ее в камеру зажигания.
На Фиг. 27 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 180° в начале нового рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 28 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 180° в начале нового рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 29 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя при правлении остаточного давления газов в камере зажигания перед началом ее заполнения новой порцией топливной смеси.
На Фиг. 30 представлено поперечное сечение четырехлопастного двигателя, показывающие общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения в начале рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 31 представлено поперечное сечение четырехлопастного двигателя, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия в начале рабочего цикла (нулевой точки).
На Фиг. 32 представлено поперечное сечение четырехлопастного двигателя, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 45°.
На Фиг. 33 представлено поперечное сечение четырехлопастного двигателя, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 45°.
Представляемый здесь самый простой вариант многолопастного роторного двигателя - двухлопастный роторный двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих основных частей и элементов:
1 - Цилиндрический корпус двигателя.
2 - Вал ротора двигателя.
3 - Цилиндрический корпус камеры зажигания.
4 - Лопасти ротора, входящие в область расширения.
5 - Осевой канал внутри вала ротора, в который входит цилиндр камеры зажигания.
6 - Лопасть(и) ротора, входящая(ие) в область сжатия.
7 - Каналы в лопастях ротора, входящих в камеру расширения.
8 - Сопла в лопастях ротора, входящих в камеру расширения.
9 - Вырез в вале ротора в области сжатия.
10 - Перемычка в корпусе двигателя, разделяющая его объем на область расширения и сжатия.
11 - Свеча зажигания.
12 - Задвижки области расширения.
13 - Задвижка области сжатия.
14 - Область расширения.
15 - Область сжатия.
16 - Область зажигания топливной смеси.
17 - Выходное отверстие вала ротора в передней стенке корпуса двигателя.
18 - Отверстие для вала ротора в стенке корпуса двигателя, разделяющей зоны сжатия и расширения.
19 - Вырезы в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области расширения.
20 - Вырез в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия.
21 - Канал подачи топливной смеси.
22 - Клапан канала подачи топливной смеси.
23 - Выхлопные отверстия в корпусе двигателя в области расширения.
24 - Канал подачи топливной смеси.
25 - Клапан канала подачи топливной смеси.
26 - Задвижка области сжатия.
27 - Вырез в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия.
28 - Вырез в цилиндрическом корпусе камеры зажигания для стравливания остаточного давления из камеры зажигания перед закачиванием в нее новой порции топливной смеси.
29 - Каналы в корпусе ротора для стравливания остаточного давления из камеры зажигания перед закачиванием в нее новой порции топливной смеси.
30 - Канал в перемычке в корпусе двигателя, разделяющей его объем на область расширения и сжатия, через который выпускаются остаточные газы горения из камеры сгорания.
Работа предоставляемого роторного двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом.
Фазы полуцикла работы двухлопастного роторного двигателя в топливной камере показаны на листах фигур №17-28 в поперечных сечениях.
На Фиг. 17 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения в начале рабочего полуцикла (нулевой точки). Лопасти ротора, входящие в область расширения 4, максимально приближены к задвижкам области расширения 12, задвинутым внутрь корпуса двигателя. Каналы в лопастях ротора, входящих в камеру расширения 7, находятся напротив вырезов в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области расширения 19.
На Фиг. 18 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия в начале рабочего цикла (нулевой точки). Задвижки области сжатия 13 и 26 задвинуты внутрь корпуса двигателя. Область сжатия разделена на две камеры Кс1 и Кс2. Камера Кс2 полностью занята лопастью ротора, входящей в область сжатия 6. Клапан канала подачи топливной смеси 25 открыт, топливная смесь готова поступать в камеру Кс2 через топливный канал 24. Камера Кс1 заполнена топливной смесью. Клапан 21 закрыт, топливная смесь по каналу 21 в камеру Кс1 не поступает. Вырез в вале ротора 9 не совмещен с вырезами в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия 20 и 27, и, следовательно, топливная смесь из камеры Кс1 не поступает в камеру сгорания 16, которая заполнена сжатой топливной смесью из камеры Кс2, поступившей в нее при предшествующем полуцикле работы двигателя.
При зажигании зажигания сжатой топливной мести в камере зажигания 16 от свечи 11 ротор начинает вращаться.
На Фиг. 19 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 45°. В процессе вращения ротора образовались камеры расширения Кр1 и Кр2, в которые поступают газы горения топливной смеси из камеры горения 16, подходящие через вырезы в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области расширения 19, в совмещенные с ними каналы в лопастях ротора, входящих в камеру расширения 7, и далее через сопла 8.
На Фиг. 20 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 45°. Задвижка области сжатия 13 выдвинута. Лопасть ротора, входящая в область сжатия 6, при вращении ротора 2 сжимает топливную смесь в камере Кс1 и открывает пространство в камере Кс2, куда засасывается топливная смесь из канала подачи топливной смеси 24. Клапан 23 открыт, клапан 22 закрыт, задвижка 26 задвинута. Вырез в вале ротора в области сжатия 9 не совмещен с вырезами в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия 20 и 27, и, следовательно, топливная смесь из камеры Кс1 не поступает в камеру сгорания 16, в которой происходит сгорание топливной смеси, из камеры Кс2, поступившей в нее при предшествующем полуцикле работы двигателя.
На Фиг. 21 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающие общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 90°. Камеры расширения Кр1 и Кр2 в которые поступают газы горения топливной смеси из камеры горения 16, подходящие через вырезы в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области расширения 19, в пока еще совмещенные с ними каналы в лопастях ротора входящих в камеру расширения 7, и далее через сопла 8, продолжают расширяться.
На Фиг. 22 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающие общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 90°. Задвижка области сжатия 13 выдвинута. Лопасть ротора входящая в область сжатия 6, при вращение ротора 2, продолжает сжимать топливную смесь в камере Кс1, и расширять пространство в камере Кс2, куда засасывается топливная смесь из канала подачи топливной смеси 24. Клапан 23 открыт, клапан 22 закрыт, задвижка 26 задвинута. Вырез в вале ротора в области сжатия 9 по прежнему не совмещен с вырезами в цилиндрической корпусе камеры зажигания в области сжатия 20 и 27 и, следовательно, топливная смесь из камеры Кс1 не поступает в камеру сгорания 16, в которой происходит сгорание топливной смеси из камеры Кс2, поступившей в нее при предшествующим полуцикле работы двигателя.
На Фиг. 23 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при повороте ротора на 135°. Газы горения топливной смеси из камеры горения 16 перестали поступать в камеры Кр1 и Кр2, так как вырезы в цилиндрическом корпусе камеры зажигания 16 в области расширения 19, перестают быть совмещенными с каналами в лопастях ротора, входящих в камеру расширения 7. Камеры Кр1 и Кр2 продолжают расширяться под воздействием избыточного давления в них по сравнению с областями за их пределами на лопасти ротора 4.
На Фиг. 24 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при повороте ротора на 135°. Задвижка области сжатия 13 выдвинута. Лопасть ротора, входящая в область сжатия 6, при вращении ротора 2 продолжает сжимать топливную смесь в камере Кс1 и расширять пространство в камере Кс2, куда засасывается топливная смесь из канала подачи топливной смеси 24. Клапан 23 открыт, клапан 22 закрыт, задвижка 26 задвинута. Вырез в вале ротора в области сжатия 9 подходит к вырезу в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия 27, и, следовательно, сжатая топливная смесь из камеры Кс1 скоро сможет поступать в камеру сгорания 16, из которой стравливается остаточное давление газов горения через вырез в цилиндрическом корпусе камеры зажигания 28, совмещенный с ним в этот момент один из каналов в корпусе ротора 29, и далее через канал в корпусе двигателя 30, как показано на Фиг. 29.
На Фиг. 25 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при достижении ротором положения окончания процесса расширения. Задвижки области расширения 12 выдвинуты и не мешают движению лопастей ротора, входящих в зону расширения 4, по инерции. Вырезы в цилиндрическом корпусе камеры зажигания 16 в области расширения 19 не совмещены с каналами в лопастях ротора, входящих в камеру расширения 7. Остаточные газы горения покидают область расширения через выхлопные отверстия в корпусе двигателя 23.
На Фиг. 26 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия на последней стадии процесса сжатия топливной смеси и выдавливания ее в камеру зажигания. Лопасть ротора, входящая в область сжатия 6, при вращении ротора 2, выравнивает сжатую топливную смесь из сокращающейся камеры Кс1 в камеру зажигания 16. Камера Кс2, куда засасывается топливная смесь из канала подачи топливной смеси 24 на последней стадии расширения. Клапан 23 открыт, клапан 22 закрыт, задвижка 26 задвинута. Вырез в вале ротора в области сжатия 9 совмещен с вырезом в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия 27, сжатая топливная смесь из камеры Кс1 поступает в камеру сгорания 16, из которой ранее стравлено остаточное давление газов горения через вырез в цилиндрическом корпусе камеры зажигания 28, совмещенный с ним в этот момент один из каналов в корпусе ротора 29, и далее через канал в корпусе двигателя 30, как показано на Фиг. 29.
На Фиг. 27 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии а-а, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области расширения при достижении ротором полуцикла оборота. Ротор совершил оборот на 180° и находится в начале нового полуцикла (нулевой точки). Лопасти ротора, входящие в область расширения 4, максимально приближены к задвижкам области расширения 12, задвинутым внутрь корпуса двигателя. Каналы в лопастях ротора, входящих в камеру расширения 7 ,находятся напротив вырезов в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области расширения 19.
На Фиг. 28 представлено поперечное сечение двухлопастного двигателя по линии б-б, показывающее общую схему и соотношение основных элементов двигателя в области сжатия при достижении ротором полуцикла оборота. Ротор совершил оборот на 180° и находится в начале нового полуцикла (нулевой точки). Задвижки области сжатия 13 и 26 задвинуты внутрь корпуса двигателя. Область сжатия разделена на две камеры Кс1 и Кс2. Камера Кс1 полностью занята лопастью ротора, входящей в область сжатия 6. Клапан канала подачи топливной смеси 22 открыт, топливная смесь готова поступать в камеру Кс1 через топливный канал 22. Камера Кс2 заполнена топливной смесью. Клапан 25 закрыт, топливная смесь по каналу 24 в камеру Кс2 не поступает. Вырез в вале ротора 9 не совмещен с вырезами в цилиндрическом корпусе камеры зажигания в области сжатия 20 и 27, и, следовательно, топливная смесь из камеры Кс2 не поступает в камеру сгорания 16, которая заполнена сжатой топливной смесью из камеры Кс1, поступившей в нее при предшествующем полуцикле работы двигателя.
При воспламенении топливной смеси в камере зажигания 16 ротор получит новый импульс к движению, и следующий полуцикл его работы начнется с позиции, отраженной на Фиг. 17-18.
При варианте четырехлопастного ротора двигатель будет работать четверть циклами, когда за один оборот ротора на 360° двигатель будет четыре раза проходить нулевую точку.
На Фиг. 30-33 показаны поперечные сечения четырехлопастного роторного двигателя в области расширения в нулевой точке Фиг. 30 и при повороте ротора на 45° Фиг. 32, и в области сжатия в нулевой точке Фиг. 31 и при повороте ротора на 45° Фиг. 33.
Соответственно, в области расширения четырехлопастного моторного двигателя будут образованы четыре камеры расширения - Кр1, Кр2, Кр3, Кр4, а в области сжатия четыре камеры - Кс1, Кс2, Кс3, Кс4, две из которых будут в стадии сжатия топливной смеси - на Фиг. 33 Кс1 и Кс3 и две в стадии засасывания топливной смеси - на Фиг. 33 Кс2 и Кс4.
Таким образом, за полный круг вращения ротора для двухлопастного двигателя:
в камере сжатия происходят:
• два цикла сжатия топливной смеси;
• два цикла засасывания топливной смеси.
В рабочей камере роторного двигателя происходят:
• два цикла расширения газов горения;
• два цикла удаления остаточных газов горения.
В камере зажигания роторного двигателя происходят:
• два цикла засасывания топливной смеси;
• два цикла зажигания топливной смеси;
• два цикла стравливания избыточного давления остаточных газов горения.
Ротор получает энергию вращения:
•  от давления расширения газов сгорания топлива на лопасти ротора;
•  от реактивной отдачи исходящих под давлением из лопастей ротора газов сгорания топлива.
Раздельное положение камеры сжатия, расширения и сгорания роторного двигателя позволяет делать их размеры такими, что в процессе расширения газов сгорания после совершения ими полезной работы на выходе из рабочей камеры двигателя можно получать остаточное их давление близким к атмосферному, то есть полностью использовать энергию расширения газов сгорания топлива.
С увеличением числа лопастей ротора и задвижек двигателя пропорционально увеличивается количество рабочих циклов двигателя при одном обороте ротора.