РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателей внутреннего сгорания, а именно роторным двигателям.
Из уровня техники известны различные виды роторных двигателей. Одним из видов роторных двигателей является роторный двигатель внутреннего сгорания с герметично запираемыми камерами сгорания. Они, в свою очередь, делятся на семь групп:
1. Роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главного рабочего элемента;
2. Роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента;
3. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в роторе. Частный случай - с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе;
4. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе;
5. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов;
6. Роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной организацией формы рабочих камер;
7. Роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов.
Предлагаемое решение относится к четвертой компоновочной группе.
Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является так называемый двигатель Исаева (http://www.rotor-motor.ru/page10.htm). Данный двигатель является трехтактным роторным двигателем секторно-кольцевой компоновки с непрерывным типом крутящего момента. Особенностью данного решения является то, что за один оборот рабочего вала мотор дает 16 рабочих тактов расширения. Такты расширения происходят в каждом из 4-х рабочих секторов кольцевой рабочей камеры, за один оборот вала каждая из 4-х лопастей ротора проходит последовательно 4 сектора и совершает 4 рабочих такта расширения; все 4 лопасти ротора за оборот вала в сумме дают 16 рабочих тактов. Двигатель состоит из корпуса с размещенными в нем запорными барабанами, вращающимся внутри корпуса; ротора, имеющего несколько лопастей (зубцов) и камер сгорания; рабочей полостью между ротором и внутренней поверхностью корпуса.
Такты этого мотора разделены в пространстве, но совмещены во времени и проходят в следующей последовательности:
- такт сжатия рабочей смеси в сегменте сжатия;
- такт горения рабочей смеси в сферической камере сгорания неизменного объема;
- такт расширения рабочих газов в сегменте расширения.
Недостатком данной схемы является, во-первых, отсутствие так называемого уплотнения по поверхности. Вышеуказанная схема реализует совмещение (части) поверхности зубца (зубцов) с поверхностью (частью поверхности) полости/паза в запорном барабане (барабанах) по линии, то есть запорный элемент контактирует с цилиндрической частью ротора по линии, а в момент прохождения зубца, запорный элемент не обеспечивает герметичности и появляется зазор между вырезом ЗЭ и ротором. Данный вид контакта делает невозможной надежную герметизацию разделения секторов кольцевой рабочей камеры и, как следствие, приводит к уменьшению КПД данного двигателя - из-за неизбежных потерь в мощности.
Технической задачей предлагаемого решения является создание двигателя, имеющего уплотнение «по поверхности» в любой момент вращения, то есть такого, в котором соприкосновение и зубца ротора с кольцевым пазом и запорного элемента с поверхностями статора и ротора осуществляются не по линии, а по площади, что позволяет создать герметизацию/компрессию и полное надежное разделение полостей, создаваемых в пазе статора (кольцевой рабочей камеры). Результатом такой герметизации и разделения полостей является гарантированную герметизацию, требуемую для создания компрессии, обеспечивающей оптимальное протекание процесса сгорания топливной смеси.
Поставленные задачи решаются за счет следующего выполнения роторного двигателя.
Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит ротор с валом и статор; по крайней мере, одну камеру сгорания. На поверхности ротора, сопрягаемой с поверхностью статора, а именно с выполненным в теле статора кольцевым пазом, размещен, по крайней мере, один зубец ротора (т.е. зубец соприкасается с кольцевым пазом статора по поверхности)
Также ротор может содержать, по крайней мере, один дополнительный зубец. Ротор также связан с валом ротора и выходным валом ротора.
В корпусе статора выполнен кольцевой паз. Внутри корпуса статора размещен, по крайней мере, один запорный элемент. Также в теле статора выполнена, по крайней мере, одна проточка, выполняющая функцию впускного и выпускного отверстия и сообщения с камерой сгорания.
В первом варианте выполнения, а именно при выполнении запорного элемента (или нескольких запорных элементов) в форме тела вращения, каждый (один или более) запорный элемент закреплен на собственном валу, параллельном валу ротора, при этом вал запорного элемента (или запорных элементов) механически связан, одним из известных способов, с валом ротора для обеспечения согласованного вращения валов и циклического прохождения зубца ротора полости запорного элемента статора.
Во втором варианте выполнения, а именно при выполнении запорного (или запорных) элементов в форме параллелепипеда, каждый из запорных элементов связан с валом ротора посредством коленвала (как представлено на фигуре 10) или любой известной механической передачи, обеспечивающей преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное, что также обеспечивает согласованное движение согласованное вращение валов и циклического прохождения зубца ротора полости запорного элемента статора.
Полезная модель иллюстрируется следующими фигурами:
- фигура 1 - общая схема двигателя с запорными элементами в форме тела вращения, вид в разрезе;
- фигура 2 - общая схема двигателя с запорными элементами в форме параллелепипеда, вид в разрезе;
- фигура 3 - двигатель с запорными элементами в форме параллелепипеда, вид сверху;
- фигура 10 - общий вид ротора (позиция 110 не показана);
- фиг.11 - общий вид статора, с размещенными в нем запорными элементами в форме тела вращения и без них (позиции 201, 202 не показаны);
- фиг.4 - варианты формы зубца, вид сверху;
- фигура 5 - варианты формы зубца, радиальное сечение;
- фигура 6 - общая схема принципа действия двигателя, в котором запорные элементы выполнены в форме тела вращения;
- фигура 7 - схема последовательности перемещения зубцов и изменения положения запорных элементов статора.
- фигура 8 - запорный элемент в виде параллелепипеда.
- фигура 9 - общая схема принципа действия двигателя, в котором запорные элементы выполнены в форме параллелепипеда.
На фигурах указаны следующие позиции:
100 - ротор;
110 - вал ротора, связываемый с валами запорных элементов;
111 - выходной вал ротора;
120, 121 - зубцы ротора;
200 - статор;
201, 202 - отверстия статора;
210 - кольцевой паз статора;
300, 301 - камеры сгорания;
400, 401 - запорные элементы;
410, 411 - валы запорных элементов;
420 - сквозной вырез запорного элемента;
500 - механическая связь между валами ротора и запорных элементов;
510 - коленвал.
Ротор 100 с выходным валом 111 имеет преимущественно цилиндрическую форму и выполняется преимущественно из металлов/сплавов металлов, также возможно выполнение ротора в виде тела вращения, в частности, в виде усеченного конуса и других. Ротор 100 соосно сопряжен со статором 200. Статор 200 также преимущественно выполнен из металлов/сплавов металлов и преимущественно имеет цилиндрическую форму, но возможно выполнение в любой форме, в частности тела вращения и других. На поверхности ротора 100, сопрягаемой с поверхностью статора 200, а именно с выполненным в теле статора кольцевым пазом 210, размещен, по крайней мере, один зубец ротора 120 (либо несколько зубцов, например два - 120 и 121, общее количество зубцов ротора зависит от конкретного размера и области применения роторного двигателя). Зубец (зубцы) ротора 120 преимущественно выполняется как одно целое с корпусом ротора 100, но также возможно и его отдельное выполнение и последующее скрепление с ротором 100 одним из известных методов (сваркой, склеиванием). Предпочтительным вариантом выполнения роторного двигателя является такое, при котором ротор содержит два зубца, однако возможны варианты выполнения с одним, тремя, четырьмя и более зубцами, с соответственным возможным добавлением в конструкцию (или исключением из нее) необходимого количества камер сгорания и отверстий.
Статор 200 содержит (или связан известным способом), по крайней мере, одну камеру сгорания 300. Камера сгорания 300, в случае своего размещения непосредственно на статоре 200, располагается на стороне, обратной плоскости сопряжения статора с ротором). Возможны и другие виды расположения камеры сгорания, например, внутри статора; они зависят от конкретного вида применения роторного двигателя и принципиального значения не имеют. Также в теле статора выполнен кольцевой паз 210, глубина которого составляет от 1 до 99 процентов от общей высоты статора. Сечение кольцевого паза 210 в вертикальной плоскости преимущественно прямоугольное, однако возможны и применимы и другие формы сечения - трапециевидная, треугольная, со скругленными углами и сложной формы. Внутри корпуса статора 200 размещен, по крайней мере, один запорный элемент 400. Запорный элемент 400 имеет два варианта выполнения - в форме тела вращения и в форме параллелепипеда. В первом варианте выполнения двигателя, то есть в случае выполнения запорного элемента 400 в форме тела вращения (например, цилиндрической формы, или конической формы, или комбинированной, при которой часть запорного элемента является цилиндрической, а сопряженная с ней часть - конической, а также другие, более сложные формы) его ось вращения параллельна оси вращения ротора 100. Запорный элемент 400 в форме тела вращения имеет сквозной вырез 420 сложной формы. Форма выреза 420 определяется, во-первых, формой зубца и, в общем случае, должна быть минимально достаточной для размещения зубца в запорном элементе при его прохождении по кольцевому пазу в месте размещения запорного элемента. Также форма выреза зависит от соотношения радиусов ротора и запорного элемента.
Сквозной вырез 420 предназначен для обеспечения прохождения зубца ротора 120 при вращательном движении зубца в кольцевом пазе 210 статора 200. В обоих вариантах запорный элемент 420 преимущественно выполнен из металлов/сплавов металлов.
Вторым вариантом выполнения двигателя является варианте выполнения запорного элемента 400 в форме параллелепипеда. Такой запорный элемент также имеет вырез 420 для прохождения зубцом ротора области пересечения запорного элемента и кольцевого паза статора. Форма выреза в данном случае преимущественно совпадает с формой зубца ротора в его радиальном сечении или несколько превышает его.
Габаритные размеры всех вышеуказанных деталей непринципиальны для обоих вариантов и могут меняться в зависимости от конкретного применения двигателя.
Также в теле статора 200, в обоих вариантах выполнения двигателя, выполнено, по крайней мере одно, преимущественно два - отверстия 201, 202 в непосредственной близости от мест для размещения запорных элементов; отверстия 201, 202 проходят от плоскости, обратной плоскости сопряжения статора 200 с ротором 100 до нижней границы кольцевого паза 210, и выполняют функцию впускного и выпускного отверстия и средства сообщения с камерой сгорания 300. Отверстие 201 может иметь пространство для размещения в нем клапана для ее запирания. Отверстие 201 преимущественно выполнено методом сверления.
Каждый из запорных элементов 400, 401 в варианте выполнения формы тела вращения закреплен на собственном валу 410 и 411 соответственно, каждый из которых параллелен валу ротора 110. Также на каждом из валов запорных элементов 410 и 411 и на вале ротора 110 размещены элементы механической связи валов друг с другом. Преимущественно механическая связь между валами обеспечивается шестеренно-цепной передачей (как показано на фиг.1); также может быть использована шестеренная передача без цепи, при этом в конструкцию добавляются дополнительные шестерни. Назначение данной механической связи между валами заключается в том, чтобы обеспечить согласованное вращение валов и, как следствие, циклическое прохождение зубцов ротора 120, 121 полости запорных элементов 400, 401.
Зубец ротора 120, в обоих вариантах выполнения двигателя, имеет сложную геометрическую форму. В радиальном сечении форма зубца имеет варианты: прямоугольная, прямоугольная со скругленными верхними углами, трапециевидная, трапециевидная со скругленными верхними углами, форму обечайки, полукруглая и так далее. В любом случае форма зубца в радиальном сечении является либо прямоугольной, либо «проекцией на плоскость» убывающей функцией - то есть основание зубца больше или, в крайнем случае, равно вершине зубца, а линии, соединяющие окончания оснований зубца с соответствующими окончаниями (или вершиной) зубца не имеют резких изгибов. В плоскости пересечения зубца с ротором форма ограничена частями окружностей, образующих кольцевой паз на статоре (внешним и внутренним радиусами кольцевого паза), а также прямыми параллельными (или не параллельными) линиями, а также криволинейной формы и/или ломаной формы. Некоторые варианты форм зубца представлены на фигурах 4 и 5.
Работа роторного двигателя, выполненного по первому варианту исполнения, с двумя запорными элементами формы тела вращения (например, цилиндрической), оси которых параллельны (и параллельны оси ротора) и лежат в одной плоскости; и двумя зубцами осуществляется следующим образом.
Наличие двух зубцов ротора внутри кольцевого паза статора и двух запорных элементов в форме тела вращения (либо в форме параллелепипеда), создает в кольцевом пазе четыре полости, которые, соотвественно, образованы поверхностями кольцевого паза, зубцов ротора и запорных элементов. В процессе совместного движения этих элементов - вокруг оси ротора для двух зубцов и вокруг собственной оси для двух запорных элементов - объем этих полостей динамически изменяется. Необходимо отметить, что в момент прохождения зубцов ротора положения вырезов запорных элементов две полости, ограниченные с двух сторон, превращаются в одну, так как две из четырех границ между полостями исчезают.
Условно данные полости можно назвать:
- полость А расположена между запорным элементом 1 и зубцом 1;
- полость В расположена между зубцом 1 и запорным элементом 2;
- полость С расположена между запорным элементом 2 и зубцом 2;
- полость D расположена между зубцом 2 и запорным элементом 1.
Процесс, проиллюстрированный на фиг.6, можно условно разделить на следующие такты (так как в разных полостях осуществляются разные такты в один момент времени):
1. При первом полуообороте ротора двигателя:
- Зубец 1 ротора, двигаясь по окружности вокруг оси ротора внутри кольцевого паза статора в направлении от запорного элемента 1 к запорному элементу 2, увеличивает объем полости А, создавая в ней разряжение; таким образом происходит такт впуска воздуха/горючей смеси в полость А.
Необходимо отдельно отметить, что существуют разные варианты того, что именно подается в полость А. В том случае, если впрыск топлива происходит на впускном коллекторе, то в такт впуска происходит впуск топливо-воздушной смеси, а в такт сжатия - сжатие топливо-воздушной смеси. В случае, если используется схема двигателя, имеющего прямой впрыск топлива в камеру сгорания, то в такт впуска происходит впуск воздуха, а в такт сжатия - сжатие воздуха.
- Соответственно, при этом же перемещении зубца 1 происходит уменьшение объема полости В и выталкивание из нее выхлопных газов, образовавшихся в результате сгорания горючей смеси - такт выпуска.
- Одновременно с этим, в полость С из камеры сгорания поступает горящая топливо-воздушная смесь (воспламенение смеси осуществляется за счет известных из уровня техники свечей зажигания), которая, расширяясь, воздействует на зубец 2 ротора и перемещает его внутри кольцевого паза статора в направлении от запорного элемента 2 к запорному элементу 1; таким образом, происходит такт рабочего хода двигателя.
- Соответственно, в этот же отрезок времени первого полуоборота ротора, происходит уменьшение объема полости D и сжатие в ней ранее поступившего воздуха/топливо-воздушной смеси - такт сжатия.
2. При втором полуообороте ротора двигателя:
- Зубец 1 ротора, двигаясь по окружности вокруг оси ротора внутри кольцевого паза статора в направлении от запорного элемента 2 к запорному элементу 1, увеличивает объем полости С, создавая в ней разряжение; таким образом, происходит такт впуска воздуха/топливо-воздушной смеси в полость С.
- Соответственно, происходит уменьшение объема полости D и выталкивание из нее выхлопных газов, образовавшихся в результате сгорания топливо-воздушной смеси - такт выпуска.
- Одновременно с этим, в полость А из камеры сгорания поступает горящая топливо-воздушная смесь (воспламенение смеси осуществляется за счет известных свечей зажигания), которая, расширяясь, воздействует на зубец 2 ротора и перемещает его внутри кольцевого паза статора в направлении от запорного элемента 1 к запорному элементу 2; таким образом, происходит такт рабочего хода двигателя.
- Соответственно, происходит уменьшение объема полости В и сжатие в ней ранее поступившей топливо-воздушной смеси - такт сжатия.
На фиг.9 показан принцип действия двигателя, у которого запорные элементы выполнены в форме параллелепипеда (сам запорный элемент в форме параллелепипеда показан на фиг.8). Работа двигателя по данному варианту выполнения, вся последовательность тактов - идентична работе двигателя по первому варианту, отличием является лишь форма запорного элемента и связи между запорными элементами.
Учитывая, что все данные такты происходят при обусловленном формами кольцевого паза и зубцов «уплотнении по поверхности», то есть с обеспечением полной изоляции любой полости от любой другой соседней полости, обеспечивается компрессия, которая, в свою очередь обеспечивает оптимальное протекание процесса сгорания топливной смеси, то есть прохождения всех тактов (сжатия, рабочего хода, выпуска и впуска) без потерь на "просачивание" газов в соседние полости, что означает отсутствие ненужных потерь энергии и максимальное для подобного рода типов двигателей КПД.
На фиг.7 показана схема последовательности перемещения зубцов и изменения положения запорных элементов статора.
Предлагаемый двигатель может быть использован в любых отраслях промышленности, в частности в автомобильной, судостроительной, авиастроительной и космической.