РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к роторно-поршневому двигателю внутреннего сгорания, в частности к однонаправленному роторному двигателю, в котором кольцевая рабочая камера сформирована посредством одной или обеих частей боковых стенок ротора в осевом направлении выходного вала и корпуса; ротор содержит, по меньшей мере, один элемент создания давления (и к которому прикладывается давление), который секционирует кольцевую рабочую камеру, а корпус содержит, по меньшей мере, один элемент секционирования рабочей камеры, тем самым реализуя уменьшение размера, высокую выходную мощность, а также улучшенную эффективность сгорания и выходные характеристики, а также свойства герметичности и смазывания.
Уровень техники
Поршневые возвратно-поступательные индукторные двигатели часто используются благодаря своим превосходным свойствам непроницаемости от газов, образующихся от сгорания, и свойствам смазывания. Тем не менее, возвратно-поступательный индукторный двигатель зачастую имеет сложную конструкцию, большой размер, высокие производственные затраты и вызывает вибрации. Трудно реализовать полное сгорание в возвратно-поступательном индукторном двигателе, поскольку доступные рабочие такты зависят от угла поворота коленчатого вала, не больше 180 градусов. Более того, свойства кривошипно-шатунного механизма задают верхний предел эффективности преобразования из давления газа, образующегося от сгорания, в выходную мощность (крутящий момент, мощность в лошадиных силах). Радиус кривошипа определяется в соответствии с рабочим объемом цилиндра. Трудно увеличивать радиус кривошипа и, соответственно, выходные характеристики. Помимо этого, в случае четырехтактного двигателя каждые два оборота коленчатого вала создают один рабочий такт, что препятствует уменьшению размера двигателя. Чтобы справиться с этим, скорость вращения двигателя повышается для более высокой выходной мощности в лошадиных силах. Это невыгодно, поскольку эффективность сгорания понижается по мере того, как возрастает скорость вращения двигателя.
За последние 130 лет или около того предлагались различные роторные двигатели (роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания). Тем не менее, все они являются неидеальными, за исключением роторного двигателя Ванкеля. Роторные двигатели делятся на две основные группы, в том числе однонаправленный роторный двигатель, в котором ротор не имеет эксцентрикового перемещения, и роторный двигатель Ванкеля, в котором ротор имеет эксцентриковое перемещение.
Примерно 12 лет назад автор изобретения предложил роторно-поршневой двигатель, упомянутый в Патентном документе 1 (WO96/11334), который имеет кольцевую рабочую камеру за пределами внешней границы ротора. Ротор содержит элемент создания давления (и к которому прикладывается давление), секционирующий кольцевую рабочую камеру. Корпус содержит первую и вторую колебательные перегородки, которые секционируют кольцевую рабочую камеру, при этом первая перегородка открывает/закрывает вспомогательную камеру сгорания. Два набора комплектов пружин для эластичного смещения первой и второй перегородок, соответственно, предоставляются.
С помощью этого роторного двигателя кольцевая рабочая камера, сформированная за пределами внешней границы ротора, и два набора комплектов пружин увеличивают размер двигателя. Первая и вторая перегородки и ротор создают линейный контакт, а не контакт по площади, с проблемами, связанными со свойствами герметизации и смазывания.
В отличие от этого Патентные документы 2-5 предлагали различные однонаправленные роторно-поршневые двигатели. Роторный двигатель, описанный в Патентном документе 2 (выложенная патентная публикация Японии S52-32406), имеет практически 240-градусную дугообразную канавку впуска/сжатия, сформированную на боковой стенке ротора, перегородку, смещаемую посредством пружины, и секционирующую канавку впуска/сжатия, дугообразную канавку расширения/выпуска, сформированную на внешней границе ротора, и камеру сжатия/взрыва, сформированную в выступе корпуса.
Роторный двигатель по Патентному документу 3 (патент США 5979395) это лопастной роторный двигатель, имеющий ротор, несимметрично относительно центра установленный в круглом удерживающем отверстии корпуса, выходной вал, проходящий через центр двигателя, восемь лопастей, установленных на роторе радиально возвратно-поступательным способом, и вспомогательную камеру сгорания, сформированную на стороне внешней границы круглого удерживающего отверстия.
Роторный двигатель по Патентному документу 4 (выложенная патентная публикация Японии Н10-614 02) имеет ротор, концентрически установленный в круглом удерживающем отверстии корпуса, канавку впуска, сформированную посредством вырезания внешней границы ротора в дугообразной (в виде полумесяца) форме, перегородку, установленную на корпусе и примыкающую к внешней границе ротора, и кулачковый механизм для радиального перемещения перегородки.
Роторный двигатель по Патентному документу 5 (выложенная патентная публикация Японии 2002-227655) имеет корпус, практически овальный ротор, удерживаемый в круглой удерживающей камере корпуса, две перегородки, сдвигаемые посредством пружин, ротор синхронизации, удерживаемый в круглом отверстии, размещающемся рядом с круглой удерживающей камерой посредством средней боковой пластины, дугообразную основную камеру сгорания, сформированную на внешней границе ротора синхронизации, вспомогательную камеру сгорания, сформированную за пределами внешней границы основой камеры сгорания, свечу зажигания, противостоящую вспомогательной камере сгорания, и вторичную впрыскивающую форсунку. Топливно-воздушная смесь, находящаяся под давлением посредством ротора в камере впуска/сжатия, вводится во вспомогательную камеру сгорания, где она сжимается и воспламеняется. Газ, образующийся от сгорания, вводится в камеру расширения/выпуска из круглых удерживающих камер посредством основной камеры сгорания, предоставляя возможность газу, образующемуся от сгорания, выполнять работу на роторе.
Сущность изобретения
Проблемы, которые должны быть разрешены изобретением
Трудно поддерживать свойство герметизации или обеспечивать свойство смазывания при подаче смазочного масла в скользящие части, а также прочность структуры, в которой передний край качающейся перегородки, которая секционирует рабочую камеру, создает линейный контакт с внешней границей ротора для герметизации, как в роторном двигателе по Патентному документу 1. Роторный двигатель по Патентному документу 2 имеет канавку расширения/выпуска (рабочая камера сгорания) на внешней периферической стороне двигателя, что укрупняет двигатель. Рабочий такт охватывает угол вращения примерно в 120 градусов выходного вала, тем самым затрудняя получение полного сгорания. Ротор принимает не только прямой крутящий момент, но также обратный крутящий момент в последующей стадии рабочего такта, что не повышает выходные характеристики. Более того, секция сжатия/взрыва значительно выступает вверх, увеличивая высоту двигателя. Дугообразная канавка впуска/сжатия сформирована на боковой стенке ротора; тем не менее, рабочая камера сгорания не расположена с неэффективным использованием пространства боковой стенки ротора.
Роторный двигатель по Патентному документу 3 имеет рабочую камеру на внешней периферийной стороне ротора, увеличивая размеры двигателя. Прямой крутящий момент формируется так, чтобы приводить ротор в то время, когда вращается двигатель. Газ, образующийся от сгорания, в лопастных элементах между лопастями формирует не только прямой крутящий момент, но также значительный обратный крутящий момент, затрудняя увеличение выходных характеристик.
Роторный двигатель по Патентному документу 4 имеет рабочую камеру сгорания на внешней границе ротора, что увеличивает размеры двигателя. Цилиндрическая перегородка создает линейный контакт с внешней границей ротора, что препятствует тому, чтобы обеспечивать герметизацию газа, образующегося от сгорания, или повышать прочность.
Высокая перегородка и кулачковый механизм, приводящий ее, выступают вверх, значительно увеличивая высоту двигателя. Не только прямой крутящий момент, но также обратный крутящий момент формируется в последующей стадии рабочего такта, затрудняя повышение выходных характеристик.
Роторный двигатель по Патентному документу 5 имеет овальный ротор с роторной головкой, имеющей большую кривизну. Кода двигатель вращается на более высокой скорости, перегородка не может следовать вращению ротора и может прыгать. Рабочая камера формируется на внешней периферийной стороне ротора. Радиальная перегородка, которая секционирует рабочую камеру, предусмотрена на внешней периферийной стороне ротора, тем самым увеличивая размеры двигателя.
Однонаправленный роторный двигатель по предшествующему уровню техники принял форму роторного двигателя, имеющего рабочую камеру в промежутке на внешней периферийной стороне ротора. Размер двигателя никогда успешно не уменьшался в связи с недостаточно эффективным использованием бокового пространства ротора в осевом направлении выходного вала, чтобы сформировать кольцевую рабочую камеру. Также трудно увеличивать (расширять) такт до угла вращения, превышающего 180 градусов выходного вала, который задает верхний предел эффективности сгорания. Более того, ротор не может совместно использоваться несколькими наборами двигателя.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить роторно-поршневой двигатель, который является выгодным с точки зрения уменьшения размеров, предоставить роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, имеющий подвижно перемещающиеся части, создающие контакт по площади для герметизации, предоставить роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, эффективно использующий пространство боковины ротора выходного вала, чтобы сформировать кольцевую рабочую камеру, предоставить роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, имеющий достаточно большой рабочий такт, и предоставить роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором ротор совместно используется несколькими двигателями.
Средство решения проблемы
Поставленная задача решена путем создания роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего выходной вал, ротор, соединенный с выходным валом без относительного вращения, корпус, поддерживающий с возможностью вращения выходной вал, кольцевую рабочую камеру, сформированную посредством ротора и корпуса для формирования рабочей камеры впуска, рабочей камеры сжатия, рабочей камеры сгорания и рабочей камеры выпуска, по меньшей мере, один элемент создания давления (находящийся под давлением), предусмотренный на роторе для секционирования кольцевой рабочей камеры, для сжатия поступившего воздуха в рабочей камере сжатия и для приема газового давления от газа, образующегося от сгорания, в рабочей камере сгорания, по меньшей мере, один элемент секционирования рабочей камеры, предусмотренный в корпусе для секционирования кольцевой рабочей камеры, впускное отверстие для впуска всасываемого воздуха в кольцевую рабочую камеру, выпускное отверстие для выпуска газа из кольцевой рабочей камеры и средство для подачи топлива, при этом сжатая топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью свечи зажигания или за счет воспламенения от сжатия,
согласно изобретению
кольцевая рабочая камера сформирована в осевом направлении выходного вала посредством корпуса и частей боковой стенки ротора и имеет полностью или в основном цилиндрическую внутреннюю стенку и полностью или в основном цилиндрическую внешнюю стенку;
упомянутый элемент секционирования рабочей камеры содержит возвратно-поступательный элемент секционирования, который совершает возвратно-поступательное движение параллельно оси выходного вала между выдвинутым положением, где он секционирует кольцевую рабочую камеру, и отведенным положением, где он выведен из кольцевой рабочей камеры;
сдвигающее средство для сдвигания возвратно-поступательного элемента секционирования в направлении выдвинутого положения;
при этом упомянутый элемент создания давления (находящийся под давлением) содержит дугообразный элемент секционирования, имеющий первую наклонную поверхность, для перемещения возвратно-поступательного элемента секционирования из выдвинутого положения в отведенное положение, переднюю поверхность скольжения, продолжающуюся от первой наклонной поверхности, и вторую наклонную поверхность, продолжающуюся от передней поверхности скольжения и позволяющую возвратно-поступательному элементу секционирования возвращаться из отведенного положения в выдвинутое положение,
при этом часть боковой стенки ротора имеет поверхность стенки, параллельную плоскости, перпендикулярной оси выходного вала, и
возвратно-поступательный элемент секционирования имеет на переднем конце первую поверхность скольжения для создания герметичного контакта с первой наклонной поверхностью дугообразного элемента секционирования, переднюю поверхность скольжения, предназначенную для создания герметичного контакта с поверхностью стенки, которая параллельна указанной плоскости, перпендикулярной оси выходного вала, и вторую поверхность скольжения, предназначенную для создания герметичного контакта со второй наклонной поверхностью дугообразного элемента секционирования.
Предпочтительно кольцевая рабочая камера содержит кольцевую канавку, выточенную в корпусе, и имеет прямоугольный полупрофиль в плоскости, содержащей ось выходного вала, при этом часть кольцевой боковой стенки ротора закрывает кольцевую канавку.
Предпочтительно кольцевая рабочая камера имеет прямоугольный полупрофиль с дугообразными закругленными углами в плоскости, содержащей ось выходного вала, и содержит неглубокую кольцевую канавку, сформированную в части боковой стенки ротора, и глубокую кольцевую канавку, сформированную в корпусе; при этом неглубокая кольцевая канавка имеет первую кольцевую стенку на плоскости, перпендикулярной оси выходного вала, и внутреннюю и внешнюю угловые стенки, которые находятся на внутреннем конце и на внешнем конце первой кольцевой стенки; и глубокая кольцевая канавка имеет цилиндрическую внутреннюю стенку, цилиндрическую внешнюю стенку, вторую кольцевую стенку на плоскости, перпендикулярной оси выходного вала, и внутреннюю и внешнюю угловые стенки, которые находятся на внутренней стороне и на внешней стороне второй кольцевой стенки.
Предпочтительно предусмотрен зацепляющий направляющий механизм, не допускающий перемещение возвратно-поступательного элемента секционирования в окружном направлении и обеспечивающий перемещение возвратно-поступательного элемента секционирования параллельно оси выходного вала.
Предпочтительно сдвигающее средство содержит пневматическую пружину, сдвигающую возвратно-поступательный элемент секционирования в направлении выдвинутого положения.
Предпочтительно кольцевая рабочая камера имеется на каждой стороне упомянутого ротора в осевом направлении выходного вала, и каждая кольцевая рабочая камера снабжена элементом создания давления (находящимся под давлением) и элементом секционирования рабочей камеры, соответственно.
Предпочтительно дугообразный элемент секционирования имеет внутреннюю боковую поверхность скольжения, создающую контакт с цилиндрической внутренней стенкой, и внешнюю боковую поверхность скольжения, создающую контакт с цилиндрической внешней стенкой, при этом каждая из внутренней и внешней боковых поверхностей скольжения, а также передняя поверхность скольжения дугообразного элемента секционирования снабжены одной или более канавками для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло, причем один или более уплотняющих элементов установлены с возможностью перемещения в канавках для установки уплотнения.
Предпочтительно возвратно-поступательный элемент секционирования имеет внутреннюю боковую поверхность скольжения и внешнюю боковую поверхность скольжения, причем внутренняя и внешняя боковые поверхности скольжения, а также первая, передняя и вторая поверхности скольжения возвратно-поступательного элемента секционирования снабжены одной или более канавкой для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло, причем один или более уплотняющих элементов установлены с возможностью перемещения в канавках для установки уплотнения.
Предпочтительно передний край первой наклонной поверхности дугообразного элемента секционирования находится на линии, ортогональной оси выходного вала, первая наклонная поверхность имеет наклон в направлении окружности, линейно уменьшающийся в радиально наружном направлении, задний край второй наклонной поверхности дугообразного элемента секционирования находится на линии, ортогональной оси упомянутого выходного вала, а вторая наклонная поверхность имеет наклон в направлении окружности, линейно уменьшающийся в радиально наружном направлении.
Предпочтительно корпус снабжен первым возвратно-поступательным элементом секционирования и вторым возвратно-поступательным элементом секционирования, отстоящим от упомянутого первого возвратно-поступательного элемента секционирования, по меньшей мере, на 180 градусов в направления вращения ротора.
Предпочтительно в части стенки корпуса предусмотрена вспомогательная камера сгорания, впускное отверстие сформировано в части корпуса рядом со вторым возвратно-поступательным элементом секционирования у передней стороны оси ротора, а выпускное отверстие сформировано в части корпуса рядом с вторым возвратно-поступательным элементом секционирования у задней стороны оси ротора.
Предпочтительно, когда элемент создания давления (находящийся под давлением) находится между впускным отверстием и первым возвратно-поступательным элементом секционирования, рабочая камера впуска формируется между вторым возвратно-поступательным элементом секционирования и элементом создания давления (находящимся под давлением), а рабочая камера сжатия формируется между элементом создания давления (находящимся под давлением) и первым возвратно-поступательным элементом секционирования в кольцевой рабочей камере; и
когда упомянутый элемент создания давления (находящийся под давлением) находится между первым возвратно-поступательным элементом секционирования и выпускным отверстием, рабочая камера сгорания формируется между первым возвратно-поступательным элементом секционирования и элементом создания давления (находящимся под давлением) а рабочая камера выпуска формируется между элементом создания давления (находящимся под давлением) и вторым возвратно-поступательным элементом секционирования в кольцевой рабочей камере.
Предпочтительно средство подачи топлива имеет топливный инжектор для впрыска топлива в рабочую камеру сгорания, и предусмотрена свеча зажигания для воспламенения топливно-воздушной смеси в вспомогательной камере сгорания.
Предпочтительно упомянутое средство подачи топлива имеет топливный инжектор для впрыска топлива в упомянутую вспомогательную камеру сгорания.
Предпочтительно средство подачи топлива имеет топливный инжектор, обеспечивающий дополнительный впрыск топлива в рабочую камеру сгорания.
Предпочтительно предусмотрены впускной канал для соединения рабочей камеры сжатия с вспомогательной камерой сгорания, двухпозиционный клапан впускного канала для открытия/закрытия впускного канала, выпускной канал для выпуска газа, образующегося при сгорании в вспомогательной камере сгорания в рабочую камеру сгорания и двухпозиционный клапан выпускного канала для открытия/закрытия выпускного канала.
Предпочтительно предусмотрено средство приведения нескольких клапанов для приведения двухпозиционного клапана впускного канала и двухпозиционного клапана выпускного канала синхронно с вращением выходного вала.
Предпочтительно элемент секционирования рабочей камеры содержит вспомогательную камеру сгорания, сформированную в возвратно-поступательном элементе секционирования.
Предпочтительно средство подачи топлива имеет топливный инжектор для впрыска топлива в вспомогательную камеру сгорания, при этом топливно-воздушная смесь в вспомогательной камере сгорания воспламеняется за счет воспламенения от сжатия.
Преимущества изобретения
Работа и преимущества двигателя по настоящему изобретению описаны далее.
Кольцевая рабочая камера сформирована, по меньшей мере, посредством одной из частей боковой стенки ротора и корпуса. Кольцевая рабочая камера герметично секционируется, по меньшей мере, посредством одного элемента создания давления (и к которому прикладывается давление), предусмотренного на роторе, и, по меньшей мере, одного элемента секционирования рабочей камеры, предусмотренного в корпусе. Элемент создания давления (и к которому прикладывается давление) выполняет сжатие впускаемого воздуха совместно с элементом секционирования рабочей камеры и прием давления газа, образующегося от сгорания, по мере того как вращается ротор.
По мере того как вращается ротор, возвратно-поступательный элемент секционирования возвратно-поступательно перемещается между выдвинутым положением и отведенным положением, при этом контактируя с первой наклонной поверхностью, передней поверхностью скольжения и второй наклонной поверхностью дугообразной перегородки последовательно.
Например, когда элемент создания давления (находящийся под давлением) состоит из дугообразного элемента секционирования, а элемент секционирования рабочей камеры состоит из возвратно-поступательного элемента секционирования, дугообразный элемент секционирования имеет внутреннюю периферийную боковую поверхность скольжения, создающую контакт по площади с внутренней периферийной поверхностью кольцевой рабочей камеры, внешнюю периферийную боковую поверхность скольжения, создающую контакт по площади с внешней периферийной поверхностью кольцевой рабочей камеры, и переднюю поверхность скольжения, создающую контакт по площади с боковой кольцевой стенкой корпуса кольцевой рабочей камеры. Возвратно-поступательный элемент секционирования имеет переднюю поверхность скольжения, создающую контакт по площади с боковой кольцевой стенкой ротора. Возвратно-поступательный элемент секционирования не выполняет относительного движения по отношению к корпусу в направлении вдоль окружности, что является преимущественным для герметизации. Может быть предоставлен зацепляющий направляющий механизм для задержки относительного движения возвратно-поступательного элемента секционирования по отношению к корпусу в направлении вдоль окружности.
Кольцевая рабочая камера сформирована, по меньшей мере, посредством одной части боковой стенки ротора и корпуса. Следовательно, нет элемента, сильно выступающего наружу от внешней границы ротора, что способствует снижению размера двигателя внутреннего сгорания. И дугообразный элемент секционирования, и возвратно-поступательный элемент секционирования могут создавать контакт по площади со стенками кольцевой рабочей камеры, легко обеспечивая свойства герметизации и смазывания.
Кольцевая рабочая камера сформирована, по меньшей мере, посредством одной части боковой стенки ротора в осевом направлении выходного вала и корпуса. Следовательно, кольцевая рабочая камера может иметь максимизированный радиус в пределах диаметра ротора. В этом случае радиус от выходного вала до элемента создания давления (находящегося под давлением), принимающего давление газа, образующегося от сгорания (который соответствует радиусу кривошипа), может быть значительно больше, чем радиус кривошипа возвратно-поступательного двигателя. Давление газа, образующегося от сгорания, преобразуется в выходные характеристики (крутящий момент, лошадиные силы) со значительно большей эффективностью, получая двигатель внутреннего сгорания, имеющий высокую экономическую эффективность по топливу.
Например, когда ротор содержит один дугообразный элемент секционирования, а корпус содержит два возвратно-поступательных элемента секционирования, каждое одно вращение выходного вала создает рабочий такт, что уменьшает рабочий объем цилиндра до половины рабочего объема цилиндра четырехтактного двигателя, реализуя двигатель значительно меньшего размера. Рабочий такт может охватывать угол вращения примерно 180° или больше выходного вала. Могут быть реализованы продолжительный период сгорания и повышенная эффективность сгорания. Кольцевая рабочая камера может быть предусмотрена на любой стороне ротора, и один ротор может совместно использоваться посредством двух блоков двигателя внутреннего сгорания, преимущественно для достижения двигателя внутреннего сгорания меньшего размера с высокой мощностью.
С другой стороны, когда большая часть кольцевой рабочей камеры сформирована в роторе, предпочтительно, чтобы ротор содержал возвратно-поступательный элемент секционирования в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), а корпус содержал дугообразный элемент секционирования в качестве элемента секционирования рабочей камеры. В этом случае могут ожидаться те же преимущества, что и описаны выше.
Следующие различные конструкции могут быть применены к настоящему изобретению.
(1) Кольцевая рабочая камера может составлять рабочую камеру впуска, рабочую камеру сжатия, рабочую камеру сгорания и рабочую камеру выпуска посредством элемента создания давления (находящегося под давлением) и элемента секционирования рабочей камеры.
(2) Часть боковой стенки ротора - это часть боковой стенки большего диаметра, имеющая радиус 0,5 R или выше от оси выходного вала, при этом R - это радиус ротора.
(3) Кольцевая рабочая камера состоит из кольцевой канавки, выточенной в корпусе, причем край отверстия противостоит ротору и имеет прямоугольный полупрофиль в плоскости, содержащей ось выходного вала, и кольцевая стенка ротора закрывает край отверстия кольцевой канавки.
(4) Кольцевая рабочая камера имеет прямоугольный полупрофиль с дугообразными закругленными углами в плоскости, содержащей ось выходного вала, и состоит из неглубокой кольцевой канавки, сформированной в роторе, и глубокой кольцевой канавки, сформированной в корпусе; неглубокая кольцевая канавка имеет первую кольцевую стенку на плоскости, перпендикулярной оси выходного вала, и внутренние и внешние угловые стенки, которые находятся на внутренней периферийной стороне и на внешней периферийной стороне первой кольцевой стенки; а глубокая кольцевая канавка имеет внутреннюю цилиндрическую стенку, внешнюю цилиндрическую стенку, вторую кольцевую стенку на плоскости, ортогональной оси упомянутого выходного вала, и внутреннюю и внешнюю угловые стенки, которые находятся на внутренней периферийной стороне и на внешней периферийной стороне второй кольцевой стенки.
(5) Зацепляющий направляющий механизм, который не допускает перемещение возвратно-поступательного элемента секционирования в направлении вдоль окружности и предоставляет возможность возвратно-поступательному элементу секционирования перемещаться параллельно оси выходного вала, предусмотрен.
(6) Сдвигающее средство состоит из пневматической пружины, сдвигающей возвратно-поступательный элемент секционирования в направлении выдвинутого положения.
(7) Кольцевая рабочая камера предусмотрена на каждой стороне ротора в осевом направлении выходного вала, и эти кольцевые рабочие камеры обе оснащены элементом создания давления (находящимся под давлением) и элементом секционирования рабочей камеры.
(8) Кольцевая рабочая камера имеет стенку, параллельную плоскости, ортогональной оси выходного вала; а возвратно- поступательный элемент секционирования имеет на переднем конце первую поверхность скольжения для создания герметичного контакта с первой наклонной поверхностью дугообразного элемента секционирования, переднюю поверхность скольжения для создания герметичного контакта со стенкой кольцевой рабочей камеры, которая параллельна плоскости, перпендикулярной оси выходного вала, и вторую поверхность скольжения для создания герметичного контакта со второй наклонной поверхностью дугообразного элемента секционирования.
(9) Дугообразный элемент секционирования имеет внутреннюю периферийную боковую поверхность скольжения, создающую контакт с внутренней периферийной стенкой, и внешнюю периферийную боковую поверхность скольжения, создающую контакт с внешней периферийной стенкой, и внутренняя и внешняя периферийные боковые поверхности скольжения дугообразного элемента секционирования оснащены канавкой для установки уплотнения, в которую подается смазочное масло, и одним или более уплотняющим элементом, подвижно установленным в канавке для установки уплотнения.
(10) В вышеуказанном (8) возвратно-поступательный элемент секционирования имеет внутреннюю периферийную боковую поверхность скольжения и внешнюю периферийную боковую поверхность скольжения, и внутренняя и внешняя периферийные боковые поверхности скольжения, а также первая, передняя и вторая поверхности скольжения возвратно-поступательного элемента секционирования все оснащены одной или более канавкой для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло, и одним или более уплотняющим элементом, подвижно установленным в канавках для установки уплотнения.
(11) В вышеуказанном (8) передний край в направлении вращения ротора первой наклонной поверхности дугообразного элемента секционирования находится на линии, перпендикулярной оси выходного вала, первая наклонная поверхность имеет наклон в направлении окружности, постепенно уменьшающийся в радиально наружном направлении, задний край в направлении вращения ротора второй наклонной поверхности дугообразного элемента секционирования находится на линии, перпендикулярной оси выходного вала, и вторая наклонная поверхность имеет наклон в направлении окружности, постепенно уменьшающийся в радиально наружном направлении.
(12) Элемент создания давления (находящийся под давлением), предусмотренный в роторе, состоит из дугообразного элемента секционирования, а корпус оснащен, в качестве элемента секционирования рабочей камеры, первым возвратно-поступательным элементом секционирования и вторым возвратно-поступательным элементом секционирования, отстоящим от первого возвратно-поступательного элемента секционирования, по меньшей мере, на 180 градусов в направления вращения ротора.
(13) В вышеуказанном (12) вспомогательная камера сгорания формируется в части стенки корпуса на боковине выходного вала, а не в первом возвратно-поступательном элементе секционирования, впускное отверстие формируется в части корпуса рядом со вторым возвратно-поступательным элементом секционирования на передней стороне в направлении вращения ротора, а не во втором возвратно-поступательном элементе секционирования, а выпускное отверстие формируется в части корпуса рядом со вторым возвратно-поступательным элементом секционирования в задней стороне в направлении вращения ротора, а не во втором возвратно-поступательном элементе секционирования.
(14) В вышеуказанном (13), когда элемент создания давления (находящийся под давлением) находится между впускным отверстием и первым возвратно-поступательным элементом секционирования, рабочая камера впуска формируется между вторым возвратно-поступательным элементом секционирования и элементом создания давления (находящимся под давлением), а рабочая камера сжатия формируется между элементом создания давления (находящимся под давлением) и первым возвратно-поступательным элементом секционирования в кольцевой рабочей камере; а когда элемент создания давления (находящийся под давлением) находится между первым возвратно-поступательным элементом секционирования и выпускным отверстием, рабочая камера сгорания формируется между первым возвратно-поступательным элементом секционирования и элементом создания давления (находящимся под давлением), а рабочая камера выпуска формируется между элементом создания давления (находящимся под давлением) и вторым возвратно-поступательным элементом секционирования в кольцевой рабочей камере.
(15) В вышеуказанном (14) средство подачи топлива имеет топливный инжектор для вспрыскивания топлива в рабочую камеру сжатия.
(16) В вышеуказанном (14) средство подачи топлива имеет топливный инжектор для вспрыскивания топлива во вспомогательную камеру сгорания.
(17) В вышеуказанном (15) средство подачи топлива имеет топливный инжектор, который дополнительно вспрыскивает топливо в рабочую камеру сгорания.
(18) В вышеуказанном (14) предусмотрены впускной канал для соединения рабочей камеры сжатия со вспомогательной камерой сгорания, двухпозиционный клапан впускного канала для открытия/закрытия впускного канала, выпускной канал для отвода газа, образующегося от сгорания во вспомогательной камере сгорания, в рабочую камеру сгорания и двухпозиционный клапан выпускного канала для открытия/закрытия выпускного канала.
(19) В вышеуказанном (18) предусмотрено средство приведения нескольких клапанов для приведения двухпозиционного клапана впускного канала и двухпозиционного клапана выпускного канала синхронно с вращением выходного вала.
(20) Элемент секционирования рабочей камеры состоит из возвратно-поступательного элемента секционирования, а вспомогательная камера сформирована в возвратно-поступательном элементе секционирования.
(21) Элемент создания давления (находящийся под давлением) состоит из возвратно-поступательного элемента секционирования, корпус оснащен, в качестве элемента секционирования рабочей камеры, одним или несколькими дугообразными элементами секционирования, а вспомогательная камера сгорания сформирована, по меньшей мере, из одного из дугообразных элементов секционирования.
(22) Ротор оснащен, в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), одним из дугообразных элементов секционирования; корпус оснащен, в качестве элемента секционирования рабочей камеры, одним возвратно-поступательным элементом секционирования; впускное отверстие формируется в части корпуса на передней стороне в направлении вращения ротора, а не в возвратно-поступательном элементе секционирования, а выпускное отверстие формируется в корпусе рядом с упомянутым возвратно-поступательным элементом секционирования в задней стороне в направлении вращения ротора, а не в возвратно-поступательном элементе секционирования; и предусмотрены впускной клапан для открытия/закрытия впускного отверстия и выпускной клапан для открытия/закрытия выпускного отверстия.
(23) В вышеуказанном (11) ротор оснащен, в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), двумя дугообразными элементами секционирования, разнесенными друг от друга примерно на 180 градусов в направлении вращения ротора.
(24) В вышеуказанном (12), ротор оснащен, в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), тремя дугообразными элементами секционирования, предусмотренными в трех равноудаленных позициях на окружности.
(25) Ротор оснащен, в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), четырьмя дугообразными элементами секционирования, предусмотренными в четырех равноудаленных позициях на окружности, а корпус оснащен, в качестве элемента секционирования рабочей камеры, четырьмя возвратно-поступательными элементами секционирования, предусмотренными в четырех равноудаленных позициях на окружности; впускные отверстия сформированы в корпусе рядом с передними концами в направлении вращения ротора двумя возвратно-поступательными элементами секционирования, разнесенными на 180 градусов в направлении вдоль окружности, а выпускные отверстия сформированы в корпусе рядом с задними концами в направлении вращения ротора.
(26) Несколько кольцевых рабочих камер, имеющих различные размеры, предусмотрены, по меньшей мере, в одной части боковой стенки ротора концентрически с радиальными интервалами, ротор оснащен, по меньшей мере, одним элементом создания давления (и к которому прикладывается давление), который секционирует каждую кольцевую рабочую камеру, а корпус оснащен, по меньшей мере, одним элементом секционирования рабочей камеры, который секционирует каждую кольцевую рабочую камеру.
(27) Средство подачи топлива имеет топливный инжектор для вспрыскивания топлива во вспомогательную камеру сгорания, и топливно-воздушная смесь во вспомогательной камере сгорания воспламеняется с помощью воспламенения от сжатия.
Вышеописанные структуры, другие базовые структуры и модифицированные варианты осуществления изобретения, а также их операции и результаты действия подробно описаны с помощью вариантов осуществления, поясненных ниже.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это вид сбоку справа роторного двигателя по варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - это вертикальный вид в поперечном разрезе роторного двигателя.
Фиг.3 - это схематичный вид в перспективе ротора.
Фиг.4 - это схематичный вид в перспективе корпуса.
Фиг.5 - это вертикальный вид в поперечном разрезе спереди роторного двигателя.
Фиг.6 - это вид в поперечном разрезе по линии VI-VI на фиг.1.
Фиг.7 - это вид в поперечном разрезе по линии VII-VII на фиг.1.
Фиг.8 - это иллюстрация для пояснения режима работы дугообразного элемента секционирования и первого возвратно-поступательного элемента секционирования.
Фиг.9 - это иллюстрация для пояснения режима работы дугообразного элемента секционирования и первого возвратно-поступательного элемента секционирования.
Фиг.10 - это вид сбоку базовой части ротора, включающей в себя дугообразный элемент секционирования.
Фиг.11 - это вид в перспективе первого возвратно-поступательного элемента секционирования и направляющей первой пневматической пружины.
Фиг.12 - это вид в перспективе передней части первого возвратно-поступательного элемента секционирования перемещением.
Фиг.13 - это вид в поперечном разрезе, показывающий внешнюю периферийную боковую поверхность скольжения первого возвратно-поступательного элемента секционирования.
Фиг.14 - это вид в поперечном разрезе вдоль окружности базовой части, включающей в себя вспомогательную камеру сгорания, впускной и выпускной каналы, а также первый и второй двухпозиционные клапаны.
Фиг.15 - вид в поперечном разрезе базовой части впускного канала и первого двухпозиционного клапана.
Фиг.16 - вид в поперечном разрезе базовой части выпускного канала и второго двухпозиционного клапана.
Фиг.17 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.18 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.19 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.20 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.21 - это иллюстрация, для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.22 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.23 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.24 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.25 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.26 - это иллюстрация для пояснения работы роторного двигателя.
Фиг.27 - это иллюстрация, эквивалентная фиг.6 и показывающая первый возвратно-поступательный элемент секционирования по второму варианту осуществления.
Фиг.28 - это вид в поперечном разрезе первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры по второму варианту осуществления.
Фиг.29 - это иллюстрация, эквивалентная фиг.28 и показывающая еще один первый возвратно-поступательный элемент секционирования по второму варианту осуществления.
Фиг.30 - это вертикальный вид спереди в поперечном разрезе базовой части кольцевой рабочей камеры по третьему варианту осуществления.
Фиг.31 - это радиальный вид в поперечном разрезе первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры по третьему варианту осуществления.
Фиг.32 - это вид в поперечном разрезе вдоль окружности первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры по третьему варианту осуществления.
Фиг.33 - это вид в поперечном разрезе вдоль окружности первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры по четвертому варианту осуществления.
Фиг.34 - это вид в поперечном разрезе вдоль окружности первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры по пятому варианту осуществления
Фиг.35 - это вид в поперечном разрезе вдоль окружности первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры по шестому варианту осуществления.
Фиг.36 - это вид в поперечном разрезе в направлении, ортогональном оси первого возвратно-поступательного элемента секционирования и окружающей структуры, по шестому варианту осуществления.
Фиг.37 - это иллюстрация для пояснения работы первого возвратно-поступательного элемента секционирования по шестому варианту осуществления.
Фиг.38 - это иллюстрация для пояснения работы первого возвратно-поступательного элемента секционирования по шестому варианту осуществления.
Фиг.39 - это иллюстрация для пояснения работы первого возвратно-поступательного элемента секционирования по шестому варианту осуществления
Фиг.40 - это иллюстрация для пояснения работы первого возвратно-поступательного элемента секционирования по шестому варианту осуществления.
Фиг.41 - это иллюстрация для пояснения работы первого возвратно-поступательного элемента секционирования по шестому варианту осуществления.
Фиг.42 - это схематичный вид в поперечном разрезе роторного двигателя по седьмому варианту осуществления.
Фиг.43 - это схематичный вид в поперечном разрезе роторного двигателя по восьмому варианту осуществления.
Фиг.44 - это схематичный вид в поперечном разрезе роторного двигателя по девятому варианту осуществления.
Фиг.45 - это схематичный вид в поперечном разрезе роторного двигателя по десятому варианту осуществления.
Фиг.46 - это схематичный вид в поперечном разрезе роторного двигателя по одиннадцатому варианту осуществления.
Пояснение номеров ссылок
1 - выходной вал
2 - ротор
4 - корпус
5 - кольцевая рабочая камера
6 - дугообразный элемент секционирования
7, 8 - первый и второй возвратно-поступательные элементы секционирования
9, 10 - пневматическая пружина
11 - впускное отверстие
12 - выпускное отверстие
13 - вспомогательная камера сгорания
15, 16 - первый и второй двухпозиционные клапаны
18, 19 - механизмы приведения клапанов
25 - кольцевая канавка
25а, 25b - внутренняя и внешняя периферийные стенки
26 - кольцевая стенка ротора
41, 43 - первая и вторая наклонные поверхности
42 - передняя поверхность скольжения
58, 59 - первая и вторая поверхности скольжения
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение относится к роторно-поршневому двигателю внутреннего сгорания (упоминаемому как "роторный двигатель" далее), содержащему выходной вал, ротор, соединенный с выходным валом без относительного вращения, корпус, поддерживающий с возможностью вращения выходной вал, кольцевую рабочую камеру, сформированную посредством ротора и корпуса, по меньшей мере, один элемент создания давления(находящийся под давлением), предусмотренный в роторе для секционирования кольцевой рабочей камеры, по меньшей мере, один элемент секционирования рабочей камеры, предусмотренный в корпусе для секционирования кольцевой рабочей камеры, впускное отверстие для введения всасываемого воздуха в кольцевую рабочую камеру, выпускное отверстие для выпуска газа из кольцевой рабочей камеры и средство подачи топлива для подачи топлива, при этом сжатая топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью свечи зажигания или воспламенением от сжатия.
В частности, настоящее изобретение имеет следующие отличительные структуры. Кольцевая рабочая камера сформирована, по меньшей мере, посредством одной из частей боковой стенки ротора в осевом направлении выходного вала и корпуса и имеет полностью или большей частью цилиндрическую внутреннюю периферийную стенку и полностью или большей частью цилиндрическую внешнюю периферийную стенку.
Один из элементов создания давления (находящийся под давлением) и элементов секционирования рабочей камеры состоит из возвратно-поступательного элемента секционирования, совершающего возвратно-поступательное движение параллельно оси выходного вала между выдвинутым положением, где он секционирует кольцевую рабочую камеру, и отведенным положением, где он отведен из кольцевой рабочей камеры. Предусмотрено сдвигающее средство для сдвигания возвратно-поступательного элемента секционирования в направлении выдвинутого положения.
Другой из элементов создания давления (находящийся под давлением) и элементов секционирования рабочей камеры состоит из дугообразного элемента секционирования, имеющего первую наклонную поверхность, которая приводит возвратно-поступательный элемент секционирования из выдвинутого положения в отведенное положение, переднюю поверхность скольжения, продолжающуюся из первой наклонной поверхности, и вторую наклонную поверхность, продолжающуюся из передней поверхности скольжения и позволяющую элементу возвратно-поступательному секционирования возвращаться из отведенного положения в выдвинутое положение.
Первый вариант осуществления
Роторный двигатель по первому варианту осуществления описывается со ссылками на фиг.1-28. Как показано на фиг.1, 2 и 5, роторный двигатель Е имеет два блока роторных двигателей (правый роторный двигатель Е1 и левый роторный двигатель Е2 на фиг.5), совместно использующих выходной вал 1, ротор 2 и корпус 3 ротора. Роторные двигатели E1, E2 вращаются симметрично вокруг вертикальной центральной линии CL, проходящей через центральную ось выходного вала 1 и центр ротора 2 в горизонтальном направлении, как показано на фиг.5, но время их соответствующих ходов установлено с фазовым сдвигом вращения, равным 180°, как подробно поясняется далее со ссылками на фиг.17-26. Соответственно описывается правый роторный двигатель Е1.
Как показано на фиг.1-7, роторный двигатель Е1 содержит выходной вал 1, ротор 2, эквивалентный ротационному поршню, корпус 4, предусмотренный на одной боковине (на правой стороне по фиг.5) ротора 2, корпус 3 ротора, кольцевую рабочую камеру 5, сформированную посредством ротора 2 и корпуса 4, дугообразный элемент 6 секционирования, предусмотренный в роторе 2 для выполнения функций элемента создания давления (находящегося под давлением), первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования, предусмотренные в корпусе 4 для выполнения функций элементов секционирования рабочей камеры, первую и вторую пневматические пружины 9, 10, впускное отверстие 11, выпускное отверстие 12, вспомогательную камеру 13 сгорания, топливный инжектор 14, двухпозиционные клапаны 15, 16 впускного и выпускного каналов, свечу 17 зажигания, механизмы 18, 19 приведения клапанов (см. фиг.14) и несущую раму 20.
Как показано на фиг.1-7, выходной вал проходит через центральные части ротора 2 и двух корпусов 4, 4. Ротор 2 состоит из круглой пластины конкретной толщины, имеющей канал 2а для охлаждающей воды в ней. Ротор 2 соединен с выходным валом 1 без относительного вращения посредством шплинта. Ротор 2 размещается так, чтобы быть ортогональным выходному валу 1. Ротор 2 и корпус 4 предпочтительно изготовлены из металлического материала, имеющего превосходное твердосмазочное свойство, такого как чугун с шаровидным графитом; тем не менее, они могут быть изготовлены из других металлических материалов, таких как литая сталь, или неметаллического материала, такого как керамика.
На фиг.1-3 ротор 2 вращается по часовой стрелке (в направлении стрелки А). "Передняя сторона" означает вперед в направлении вращения ротора 2, а "задняя сторона" означает назад в направлении вращения ротора 2. "Ось" - это ось С выходного вала 1, если иное не указано явно.
Как показано на фиг.2, 3, дугообразный элемент 6 секционирования, герметично секционирующий кольцевую рабочую камеру 5, неразъемно сформирован на одной стороне (на правой стороне) ротора 2 в осевом направлении выходного вала 1. Дугообразный элемент 6 секционирования сформирован на правой боковой стенке ротора 2 в области большего диаметра, радиально соответствующей кольцевой рабочей камере 5.
Как показано на фиг.2, 4, 5, кольцевая рабочая камера 5 используется так, чтобы составлять рабочую камеру впуска, рабочую камеру сжатия, рабочую камеру сгорания и рабочую камеру выпуска. Кольцевая рабочая камера 5 имеет кольцевую форму, сформированную посредством корпуса 4 и ротора 2 вокруг оси выходного вала 1. Кольцевая рабочая камера 5 сформирована посредством области большего диаметра, по меньшей мере, одной (правой) боковой стенки ротора 2 в осевом направлении выходного вала 1 и корпуса 4. Другими словами, кольцевая рабочая камера 5 противостоит области большего диаметра, по меньшей мере, одной (правой) боковой стенки ротора 2, и эта область большего диаметра выступает в качестве боковой стенки ротора 2 кольцевой рабочей камеры 5.
Кольцевая рабочая камера 5 сформирована посредством корпуса 4 и части боковой стенки большего диаметра ротора 2, при этом часть боковой стенки большего диаметра имеет радиус больше чем 0,5 R от оси выходного вала 1, при этом R - это радиус ротора 2. Это служит для того, чтобы увеличить радиус (эквивалентный радиусу коленвала) от оси выходного вала 1 к дугообразному элементу 6 секционирования, принимающему давление газа, образующегося от сгорания, в максимально возможной степени с тем, чтобы сформировать максимально возможные выходные характеристики (крутящий момент, лошадиную силу).
Как показано на фиг.2, 4, 5, кольцевая рабочая камера 5 состоит из кольцевой канавки 25, утопленной в корпусе 4 и имеющей прямоугольный полупрофиль в плоскости, содержащей ось выходного вала 1 и кольцевую стенку 26 (включая первую и вторую наклонную поверхность 41 и 43, которые описаны ниже), закрывающую край отверстия кольцевой канавки 25. Кольцевая канавка 25 имеет внутреннюю периферийную стенку 25а, которая является полностью цилиндрической вокруг оси, внешнюю периферийную стенку 25b, которая является полностью цилиндрической вокруг оси, и кольцевую стенку 25с, перпендикулярную оси. Кольцевая канавка 25 может иметь прямоугольный или квадратный полупрофиль. Квадрат желателен для меньшей области стенки, приводя к повышенной эффективности сгорания в рабочей камере сгорания, описанной далее. С другой стороны, прямоугольник, как показано на чертежах, желателен для меньшего возвратно-поступательного движения первого и второго возвратно-поступательных элементов 7, 8 секционирования. Ротор 2 может состоять из нескольких частей, чтобы сформировать канал для охлаждающей воды.
Корпус 4 состоит из круглого элемента, имеющего ширину, примерно в два раза превышающую ширину ротора 2, и диаметр больше, чем у ротора 2. Выходной вал 1 проходит через центральную часть корпуса 4, и подшипник 27 вставлен между выходным валом 1 и корпусом 4. Подшипник 27 снабжается смазочным маслом через канал для смазки, сформированный в стенке корпуса 4. Корпус 4 размещен на выходном валу 1 посредством стопорных колец 28.
Корпус 4 имеет впускное отверстие 11 и выпускное отверстие 12. Канал 29 для охлаждающей воды сформирован в корпусе 4. Корпус 4 также имеет впускное отверстие 30 для охлаждающей воды и выпускное отверстие 31 для охлаждающей воды. Корпус 3 ротора устанавливается на роторе 2 через подшипник 32 и уплотняющий элемент 33. Корпус 4 крепится в контакте по площади с боковыми стенками ротора 2 и корпуса 3 ротора. Корпус 3 ротора и два корпуса 4, 4 соединены, например, посредством болтов 34 (см. фиг.2), введенных через них рядом с внешней поверхностью окружности.
Как показано на фиг.5, корпус 4 имеет канал 35 для смазки и непоказанные несколько каналов для смазки, через которые смазочное масло подается под давлением из внешнего источника. Ротор 2 имеет кольцевой канал 36 для смазки, соединенный с каналом 35 для смазки, и несколько каналов 37 для смазки, соединенных с кольцевым каналом 36 для смазки. Подшипник 32 снабжается смазочным маслом посредством каналов 37 для смазки.
Кольцевые уплотняющие элементы 38, 39, 40 для герметизации между ротором 2 и корпусом 4 устанавливаются в канавках для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло. Уплотняющие элементы 38-40 предпочтительно изготовлены из металлического материала, имеющего превосходное свойство износостойкости и твердого смазывания.
Как показано на фиг.2, 3, 8, 9, дугообразный элемент 6 секционирования, интегрированный с ротором 2, имеет первую наклонную поверхность 41 для приведения первого и второго возвратно-поступательного элементов 7, 8 секционирования из выдвинутых положений в отведенные положения, переднюю поверхность 42 скольжения, продолжающуюся из наклонной поверхности 41, и вторую наклонную поверхность 43, продолжающуюся из передней поверхности 42 скольжения и позволяющую первому и второму возвратно-поступательным элементам 7, 8 секционирования возвращаться из извлеченных положений в выдвинутые положения. Первая и вторая наклонные поверхности 41, 43 линейно наклонены в направлении вдоль окружности. Соединительная.часть между первой наклонной поверхностью 41 и передней поверхностью 42 скольжения формирует гладкую непрерывную криволинейную поверхность. Эта соединительная часть размещается на линии, перпендикулярной оси выходного вала 1. Соединительная часть между передней поверхностью 42 скольжения и наклонной поверхностью 43 формирует непрерывную криволинейную поверхность. Эта соединительная часть размещается на линии, ортогональной оси выходного вала 1. Передняя поверхность 42 скольжения составляет герметичный контакт по площади с кольцевой стенкой 25с. Как показано на фиг.3, 10, первая наклонная поверхность 41 имеет передний конец 41а на линии, ортогональной оси выходного вала 1. Конец 41а имеет криволинейную поверхность, а не изогнутую поверхность. Первая наклонная поверхность 41 имеет наклон вдоль окружности, линейно уменьшающийся в радиально наружном направлении. Вторая наклонная поверхность 43 имеет передний конец 43а на линии, перпендикулярной оси выходного вала 1. Конец 43а имеет криволинейную поверхность, а не изогнутую поверхность. Вторая наклонная поверхность 43 имеет наклон вдоль окружности, линейно уменьшающийся в радиально наружном направлении. Предпочтительно первая наклонная поверхность 41 имеет средний наклон вдоль окружности, например, примерно в 1/5-1/3, а вторая наклонная поверхность 43 имеет средний наклон вдоль окружности, например, примерно в 1/4-1/2. В примере на фиг.10, α>β и (α+β) примерно равно 90-100 градусов. Тем не менее, α=β также приемлемо.
Возможно в роторных двигателях то, чтобы первая наклонная поверхность 41 имела наклон вдоль окружности меньше 1/5, а вторая наклонная поверхность 43 имела наклон вдоль окружности меньше 1/4.
Как показано на фиг.8-10, дугообразный элемент 6 секционирования имеет внутреннюю периферийную боковую поверхность 6а скольжения и внешнюю периферийную боковую поверхность 6b скольжения. Внутренняя и внешняя периферийные боковые поверхности 6а, 6b скольжения и передняя поверхность 42 скольжения имеют одну или более канавок для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло из кольцевого канала 36 для смазки, и каналы 37 для смазки и уплотняющие элементы 44-46, подвижно установленные в канавках для установки уплотнения, соответственно. Уплотняющие элементы 44, 45 установлены рядом с линиями хребта первой и второй наклонных поверхностей 41, 43, а два уплотняющих элемента 46 установлены в передней поверхности 42 скольжения. Уплотняющие элементы 44-46 сдвигаются в направлении выдвинутого положения посредством давления смазочного масла. Структура для предотвращения схода уплотняющих элементов 44-46 с канавок для установки уплотнения или структура для сдвигания уплотняющих элементов 44-46 с помощью пластинчатых пружин, установленных в канавках для установки уплотнения, может быть использована надлежащим образом.
Как показано на фиг.2, 4, 6, на корпусе 4 предусмотрены первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования и второй возвратно-поступательный элемент 8 секционирования, разнесенный от первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования примерно на 200 градусов от его переднего конца. Первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования могут совершать возвратно-поступательное движение между своим выдвинутым положением, где они секционируют кольцевую рабочую камеру 5, и своим отведенным положением, где они отведены от кольцевой рабочей камеры 5, параллельно оси выходного вала 1. Первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования имеют прочность и жесткость к давлению газа, прикладываемому к ним. Первая пневматическая пружина 9 предусмотрена в качестве сдвигающего средства для сдвигания первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования в направлении выдвинутого положения, а вторая пневматическая пружина 10 предусмотрена в качестве сдвигающего средства для сдвигания второго возвратно-поступательного элемента 8 секционирования в направлении выдвинутого положения.
Как показано на фиг.2, 4, 6 и 11-13, первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования герметично и подвижно установлен в направляющем отверстии 47, сформированном в корпусе 4. Первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования имеет внутреннюю периферийную боковую поверхность 50 скольжения, создающую герметичный контакт по площади с внутренней периферийной стенкой 25а кольцевой рабочей камеры 5, внешнюю периферийную боковую поверхность 51 скольжения, создающую герметичный контакт по площади с внешней периферийной стенкой 25b кольцевой рабочей камеры 5, и две боковые стенки 52, размещающиеся в плоскостях, содержащих ось выходного вала 1. Первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования имеет на переднем конце переднюю поверхность 53 скольжения, создающую герметичный контакт с кольцевой стенкой 26 на боковине ротора 2 кольцевой рабочей камеры 5, первую поверхность 58 скольжения, допускающую создание герметичного контакта по площади с первой наклонной поверхностью 41 дугообразного элемента 6 секционирования, и вторую поверхность 59 скольжения, допускающую создание герметичного контакта по площади со второй наклонной поверхностью 43 дугообразного элемента 6 секционирования. Первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования изготовлен из металлического материала, имеющего превосходное твердосмазочное свойство, такого как чугун с шаровидным графитом; тем не менее, он может быть изготовлен из других металлических материалов.
Первая поверхность 58 скольжения имеет тот же наклон вдоль окружности, что и первая наклонная поверхность 41 (наклон вдоль окружности линейно уменьшается в радиально наружном направлении). Вторая поверхность 59 скольжения имеет тот же наклон вдоль окружности, что и вторая наклонная поверхность 43 (наклон вдоль окружности линейно уменьшается в радиально наружном направлении).
Канавки для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло, и уплотняющие элементы 60, 61, установленные в канавках для установки уплотнения, предусмотрены рядом с любым концом внутренней и внешней периферийных боковых поверхностей 50, 51 скольжения. Уплотняющие элементы 60, 61 сдвигаются в направлении выдвинутого положения посредством давления смазочного масла. Передняя поверхность 53 скольжения имеет передний конец и задний конец на линиях, ортогональных оси выходного вала 1. Канавки для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло, и уплотняющие элементы 62, подвижно установленные в канавках для установки уплотнения, предусмотрены рядом с любым концом передней поверхности 53 скольжения. Уплотняющие элементы 62 сдвигаются в направлении выдвинутого положения посредством давления смазочного масла. Уплотняющие элементы 63, 64 устанавливаются в канавках для установки уплотнения, сформированных в первой и второй поверхностях 58, 59 скольжения, в которые подается смазочное масло. Уплотняющие элементы 63, 64 сдвигаются в направлении выдвинутого положения посредством давления смазочного масла.
Первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования имеет канал для смазки (не показан) в стенке, в который подается смазочное масло из канала для смазки (не показан) в стенке корпуса 4. Далее смазочное масло подается в канавки для установки уплотнения. Структура для предотвращения схода уплотняющих элементов 60-64 с канавок для установки уплотнения или структура для сдвигания уплотняющих элементов 60-64 с помощью пластинчатых пружин, установленных в канавках для установки уплотнения, может быть использована надлежащим образом.
Как показано на фиг.2, 4, 5, 7, второй элемент 8 секционирования с возвратно-поступательным перемещением меньше первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования. Тем не менее, второй возвратно-поступательный элемент 8 секционирования имеет, по сути, такую же структуру, что и первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования, а следовательно, его подробное описание опускается. Второй возвратно-поступательный элемент 8 секционирования герметично и подвижно установлен в направляющем отверстии 48 корпуса 4. Второй возвратно-поступательный элемент 8 секционирования имеет внутреннюю периферийную боковую поверхность скольжения, внешнюю периферийную боковую поверхность скольжения, две боковые стенки, переднюю поверхность скольжения, первую поверхность скольжения, вторую поверхность скольжения и уплотняющие элементы, как и в случае с первым возвратно-поступательном элементом 7 секционирования.
Первая пневматическая пружина 9 для сдвигания первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования в направлении выдвинутого положения описана далее. Как показано на фиг.6, канавки для установки уплотнения, в которые подается смазочное масло, сформированы во внутренней стенке направляющего отверстия 47 для направления первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования, и, к примеру, четыре уплотняющих элемента 65 подвижно установлены в канавках для установки уплотнения.
Чтобы уменьшить вес первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования максимально возможно, первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования имеет прямоугольное отверстие 66, сформированное из противостоящего конца в роторе 2. Первая пневматическая пружина 9 имеет кожух 67, крепящийся к корпусу 4, напорную воздушную камеру 68 в кожухе 67, направляющую 69, неразъемно сформированную с кожухом 67 и частично и относительно подвижно вставляемую в прямоугольное отверстие 66, и два штока 71, герметично и подвижно установленных в двух полостях 70 для штоков направляющей 69.
Напорная воздушная камера 68 заполняется, например, газом азотом, находящимся под давлением 4,0-7,0 МПа. Два штока 71 принимают давление газа азота в напорной воздушной камере 68, посредством чего их верхушки упираются торцом к нижней стенке прямоугольного отверстия 66 и сильно сдвигают первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования в направлении выдвинутого положения. Первая пневматическая пружина 9 используется для того, чтобы сдвигать первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования в направлении выдвинутого положения против толкающего усилия (усилия, параллельного оси выходного вала 1), применяемого к первому возвратно-поступательному элементу 7 секционирования посредством давления газа топливно-воздушной смеси или давления газа, образующегося от сгорания. Следовательно, давление газа азота надлежащим образом определяется на основе толкающего усилия и диаметра и числа штоков 71. Структура и форма напорной воздушной камеры 68 не ограничена тем, что показано на чертеже. Тем не менее, желательно, чтобы напорная воздушная камера 68 имела максимально возможный объем с тем, чтобы колебание давления газа азота минимизировалось, тогда как два штока 71 совершают возвратно-поступательное движение. Кожух 67 сконструирован так, чтобы дать возможность первому возвратно-поступательному элементу 7 секционирования быть отведенным в отведенное положение, показанное посредством ломаных линий на фиг.6. Направляющая 69 скошена так, чтобы сформировать четыре вентиляционных отверстия 72 (см. фиг.11) между внутренней поверхностью прямоугольного отверстия 66 и направляющей 69. Несколько металлических или неметаллически уплотняющих элементов 73 установлены в штоках 71.
Прямоугольное отверстие 66 может быть менее глубоким, чем показанное на чертеже, или даже опущено так, что один или несколько штоков 71 упираются торцом в конец первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования. Альтернативно, давление пневматической пружины может непосредственно применяться к первому возвратно-поступательному элементу 7 секционирования. Вместо первой пневматической пружины 9 пружина сжатия или гидравлический цилиндр, соединенный с аккумулятором, может быть использован для того, чтобы сдвигать первый возвратно-поступательный элемент 7 секционирования в направлении выдвинутого положения. Дополнительно альтернативно, кулачковый механизм, синхронизированный с выходным валом 1, может быть использован для того, чтобы задавать возвратно-поступательное движение первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования.
Как показано на фиг.7, вторая пневматическая пружина 10 для сдвигания второго возвратно-поступательного элемента 8 секционирования в направлении выдвинутого положения немного меньше первой пневматической пружины 9. Тем не менее, она имеет такую же структуру, что и первая пневматическая пружина 9, и ее подробное пояснение опускается. Вторая пневматическая пружина 10 имеет кожух 74, напорную воздушную камеру 75 в кожухе 74, направляющую 76, частично вставленную в прямоугольное отверстие второго возвратно-поступательного элемента 8 секционирования, и два штока 77, как в случае с первой пневматической пружиной 9.
Впускное отверстие 11, выпускное отверстие 12, рабочая камера впуска, рабочая камера сжатия, рабочая камера сгорания и рабочая камера выпуска описываются далее. Как показано на фиг.2, впускное отверстие 11 сформировано рядом со вторым возвратно-поступательным элементом 8 секционирования в круговой стенке корпуса 4 на передней стороне, а не во втором возвратно-поступательном элементе 8 секционирования, а выпускное отверстие 12 сформировано рядом со вторым возвратно-поступательном элементом 8 секционирования в круговой стенке корпуса 4 на задней стороне, а не во втором возвратно-поступательном элементе 8 секционирования. Отверстия 11, 12 могут быть сформированы в боковой стенке корпуса 4.
Как показано на фиг.17-26, когда дугообразный элемент 6 секционирования находится между впускным отверстием 11 и первым возвратно-поступательным элементом 7 секционирования, рабочая камера 80 впуска (int) сформирована между вторым возвратно-поступательным элементом 8 секционирования и дугообразным элементом 6 секционирования, рабочая камера 81 сжатия (сmр) сформирована между дугообразным элементом 6 секционирования и первым возвратно-поступательным элементом 7 секционирования, а рабочая камера 83 выпуска (exh) сформирована между первым возвратно-поступательным элементом 7 секционирования и вторым возвратно-поступательным элементом 8 секционирования в кольцевой рабочей камере 5. Когда дугообразный элемент 6 находится между первым возвратно-поступательным элементом 7 секционирования и выпускным отверстием 12, рабочая камера 82 сгорания (com) сформирована между первым возвратно-поступательным элементом 7 секционирования и дугообразным элементом 6 секционирования, а рабочая камера 83 выпуска (exh) сформирована между дугообразным элементом 6 секционирования и вторым возвратно-поступательным элементом 8 секционирования в кольцевой рабочей камере 5.
Как показано на фиг.2, корпус 4 оснащен топливным инжектором 14 в качестве средства подачи топлива для впрыскивания топлива в сжатый всасываемый воздух в рабочей камере 81 сжатия. Тем не менее, вместо топливного инжектора 14 может быть предоставлен топливный инжектор для впрыскивания топлива во вспомогательную камеру 13 сгорания. Более того, топливный инжектор 14А для дополнительного впрыскивания топлива в рабочую камеру 82 сгорания может быть предусмотрен помимо топливного инжектора 14 или топливного инжектора для впрыскивания топлива во вспомогательную камеру 13 сгорания.
Вспомогательная камера 13 сгорания и окружающая конструкция описывается далее. Как показано на фиг.2, 6 и 14-16, вспомогательная камера 13 сгорания формируется в стенке корпуса 4 на боковине выходного вала 1, а не во внутренней периферийной стенке 25а в положении вдоль окружности, соответствующем первому возвратно-поступательному элементу 7 секционирования. В этом варианте осуществления вспомогательная камера 13 является сферической. Впускной канал 91, соединяющий рабочую камеру 81 сжатия со вспомогательной камерой 13 сгорания, сформирован в корпусе 4 так, чтобы вводить сжатую топливно-воздушную смесь в рабочей камере 81 сжатия во вспомогательную камеру 13 сгорания. Выпускной канал 92 сформирован в корпусе 4 так, чтобы отводить газ, образующийся от сгорания во вспомогательной камере 13 сгорания, в рабочую камеру 82 сгорания. Объем вспомогательной камеры 13 сгорания определяется относительно объема рабочей камеры 80 впуска так, чтобы он заполнялся топливно-воздушной смесью с заранее определенным коэффициентом сжатия (например, 14-16 в случае двигателя на свечах зажигания, как в данном варианте осуществления). Объем рабочей камеры 80 впуска определяется с учетом объема сжатой топливно-воздушной смеси, остающейся во впускном канале 91. Вспомогательная камера 13 сгорания может быть сформирована на внешней стороне, а не на внешней периферийной стенке 25b.
Первый двухпозиционный клапан 15 предназначен для открытия/закрытия впускного канала 91 в нижнем конце и второй двухпозиционный клапан 16 - для открытия/закрытия выпускного канала 92 в верхнем конце. Впускной канал 91 формируется так, чтобы иметь минимизированную пропускную способность. Впускной канал 91 имеет в верхнем конце всасывающее отверстие 91а, которое открыто для кольцевой рабочей камеры 5 на внутренней периферийной стенке 25а рядом с задним концом первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования. За всасывающим отверстием 91а впускной канал 91 имеет криволинейную часть через стенку, которая открыта для вспомогательной камеры 13 сгорания в нижнем конце, где она закрывается/открывается посредством первого двухпозиционного клапана 15. Первый двухпозиционный клапан 15 по данному варианту осуществления - это тарельчатый клапан, открывающийся вовнутрь вспомогательной камеры 13 сгорания.
Выпускной канал 92 открыт для вспомогательной камеры 13 сгорания в верхнем конце, где он закрывается/открывается посредством второго двухпозиционного клапана 16. За отверстием в верхнем конце выпускной канал 92 имеет криволинейную часть, которая заканчивается спускным отверстием 92а, которое открыто для кольцевой рабочей камеры 5 на внутренней периферийной стенке 25а рядом с передним концом первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования. Второй двухпозиционный клапан 16 по этому варианту осуществления - это тарельчатый клапан, открываемый наружу от вспомогательной камеры 13 сгорания. Тем не менее, второй двухпозиционный клапан 16 может быть тарельчатым клапаном, открываемым вовнутрь вспомогательной камеры 13 сгорания, как и первый двухпозиционный клапан 15. Первый и второй двухпозиционные клапаны 15, 16 приводятся в качестве примера, и различные структуры клапанов могут быть использованы.
Механизмы 18, 19 приведения клапанов для приведения первого и второго двухпозиционных клапанов 15, 16 описаны далее. Как показано на фиг.14, первый двухпозиционный клапан 15 имеет стержень 15а клапана, идущий наискось вверх через стенку корпуса 4, а второй двухпозиционный клапан 16 имеет стержень 16а клапана, идущий наискось вниз через стенку корпуса 4. Чтобы ввести первый и второй двухпозиционные клапаны 15 и 16, часть вспомогательной камеры 13 сгорания и окружающая стенка корпуса 4 состоят из разделенных частей, и разделенные части крепятся к корпусу 4 посредством болтов и штифтов надлежащим образом.
Например, мотор 105 для приведения стержня, допускающий работу на высокой скорости, предусмотрен в качестве привода для приведения стержня 15а клапана. Мотор 105 для приведения стержня имеет выходной элемент 105а, соединенный со стержнем 15а клапана. Первый двухпозиционный клапан 15 открывается/закрывается посредством мотора 105 для приведения стержня синхронно с вращением выходного вала 1. Аналогично, например, мотор 106 для приведения стержня, допускающий высокоскоростную работу, предоставляется в качестве пускателя для приведения стержня 16а клапана. Мотор 106 для приведения стержня имеет выходной элемент 106а, соединенный со стержнем 16а клапана. Второй двухпозиционный клапан 16 открывается/закрывается посредством мотора 106 для приведения стержня синхронно с вращением выходного вала 1. Два мотора 105 и 106 для приведения стержня контролируются посредством модуля управления (не показан) для управления двигателем.
Вышеприведенные механизмы 18, 19 приведения клапанов предоставляются в качестве примеров, и различные механизмы приведения клапанов могут быть использованы.
Если форма вспомогательной камеры 13 позволяет, стержни 15а, 16а клапанов могут быть размещенные параллельно с осью выходного вала 1. В этом случае стержни 15а, 16а клапанов могут непосредственно приводиться посредством кулачковых элементов, предусмотренных на выходном валу 1. Альтернативно, первый и второй двухпозиционные клапаны 15, 16 могут приводиться посредством первого и второго кулачковых элементов, приводимых посредством кулачковых валов, соединенных с выходным валом 1. Дополнительно альтернативно, первый и второй двухпозиционные клапаны 15, 16 могут приводиться посредством первого и второго кулачковых элементов, приводимых посредством двух электрических моторов, вращающихся синхронно с выходным валом 1. Дополнительно альтернативно, первый и второй двухпозиционные клапаны 15, 16 могут приводиться по отдельности непосредственно посредством двух соленоидных приводов.
Приведения вышеописанного роторного двигателя Е описываются далее.
Фиг.17-26 - это иллюстрации, показывающие такты впуска, сжатия, сгорания и выпуска роторного двигателя Е1. Они являются разложенными видами полной окружности кольцевой рабочей камеры 5 при просмотре радиально снаружи. Эти чертежи показывают четыре такта правостороннего роторного двигателя Е1. Четыре такта левостороннего роторного двигателя Е2 задерживаются относительно четырех тактов правостороннего двигателя Е1 на угол вращения в 180 градусов выходного вала 1.
Чертежи показывают дугообразный элемент 6 секционирования, первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования, всасывающее отверстие 91а, спускное отверстие 92а, впускное отверстие 11 и выпускное отверстие 12. Время окончания такта сжатия, показанное на фиг.23, соответствует "верхней мертвой точке сжатия". На чертежах "int" представляет такт впуска; "cmp" - такт сжатия; "com" - такт сгорания; a "exh" - такт выпуска. Приведение двигателя продолжается с фиг.17 по фиг.26 по порядку и возвращается с фиг.26 к фиг.17 по порядку. Топливо впрыскивается посредством топливного инжектора 14 в надлежащее время в течение периода с фиг.20 по фиг.22.
Первый двухпозиционный клапан 15 закрывается в момент верхней мертвой точки сжатия, показанной на фиг.23, и открывается в надлежащее время рядом со временем по фиг.20. Второй двухпозиционный клапан 16 открывается в надлежащий момент времени в течение периода между фиг.25, 26 и закрывается примерно в то же время, что открывается первый двухпозиционный клапан 15. Топливно-воздушная смесь во вспомогательной камере 13 сгорания воспламеняется посредством свечи 17 зажигания, например, примерно в то же время, что и верхняя мертвая точка сжатия.
Как видно из приведений, показанных на фиг.17-26, воздух всасывается из впускного отверстия 11 в то время, как ротор 2 вращается, всасываемый воздух сжимается посредством дугообразного элемента 6 секционирования, вращающегося вместе с ротором 2, топливо впрыскивается посредством топливного инжектора 14 в сжатый воздух в рамках рабочей камеры 81 сжатия, топливно-воздушная смесь вводится во вспомогательную камеру 13 сгорания и воспламеняется посредством свечи 17 зажигания после того, как первый и второй двухпозиционные клапаны 15, 16 закрываются, газ, образующийся от сгорания, выталкивается через спускное отверстие 92а в рабочую камеру 82 сгорания в то время, как второй двухпозиционный клапан 16 открыт, и давление газа, образующегося от сгорания, прикладывается к дугообразному элементу 6 секционирования в ходе такта сгорания, тем самым формируя крутящий момент для вращения (приведения) выходного вала 1. Выхлопной газ выпускается через выпускное отверстие 12. Здесь область S, показанная на фиг.3, соответствует области приема давления, в рамках которой дугообразный элемент 6 секционирования принимает давление газа, образующегося от сгорания.
Работа и преимущества роторного двигателя Е описаны далее.
Внутренняя периферийная боковая поверхность 6а скольжения дугообразного элемента 6 секционирования создает герметичный контакт по площади с внутренней периферийной стенкой 25а кольцевой рабочей камеры 5, внешняя периферийная боковая поверхность 6b скольжения создает герметичный контакт по площади с внешней периферийной стенкой 25b кольцевой рабочей камеры 5, а передняя поверхность 42 скольжения создает герметичный контакт по площади с боковой кольцевой стенкой 25с корпуса кольцевой рабочей камеры 5. Следовательно, дугообразный элемент 6 секционирования перпендикулярно и герметично секционирует кольцевую рабочую камеру 5.
Первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования герметично секционируют кольцевую рабочую камеру 5, когда они находятся в выдвинутом положении. Когда дугообразный элемент 6 секционирования вращается вместе с ротором 2, первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования создают герметичный контакт с первой наклонной поверхностью 41, передней поверхностью 42 скольжения и второй наклонной поверхностью 43 дугообразного элемента 6 секционирования по порядку и перемещаются из выдвинутого положения в отведенное положение. Далее они возвращаются в выдвинутое положение после того, как дугообразный элемент 6 секционирования проходит их.
Передние поверхности 53 скольжения первого и второго возвратно-поступательных элементов 7, 8 секционирования создают герметичный контакт по площади с частью кольцевой стенки 26 ротора 2, которая находится на плоскости, ортогональной оси. Внутренние периферийные боковые поверхности 50 скольжения первого и второго возвратно-поступательных элементов 7, 8 секционирования создают герметичный контакт по площади с внутренней периферийной стенкой 25а кольцевой рабочей камеры 5, а внешние периферийные боковые поверхности 51 скольжения создают герметичный контакт по площади с внешней периферийной стенкой 25b. Следовательно, первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования герметично и в крест секционируют кольцевую рабочую камеру 5. Первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования не создают перемещения относительно корпуса 4 в направлении вращения, что выгодно для герметизации. Может быть предусмотрен механизм недопущения перемещения первого и второго возвратно-поступательных элементов 7, 8 секционирования относительно корпуса 4 в направлении вращения (см. зацепляющий направляющий механизм 110, 110А, описанный далее).
В роторных двигателях Е1 и Е2 кольцевая рабочая камера 5 сформирована посредством части большего диаметра, по меньшей мере, одной из частей боковых стенок ротора 2, имеющей радиус 0,5R и больше (R - это радиус ротора 2), и корпуса 4. Таким образом, боковое пространство ротора 2 в осевом направлении эффективно используется для того, чтобы формировать кольцевую рабочую камеру 5, исключая элемент, сильно выступающий наружу из внешней границы ротора 2, и уменьшая общую высоту и ширину двигателя. Дугообразный элемент 6 секционирования и первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования создают герметичный контакт по площади со стенками кольцевой рабочей камеры 5, что выгодно для обеспечения свойств герметизации и смазывания, а также прочности.
Кольцевая рабочая камера 5 противостоит части большего диаметра ротора 2. Следовательно, радиус вращения от оси выходного вала 1 к элементу 6 создания давления (находящемуся под давлением), принимающему давление газа, образующегося от сгорания (который соответствует радиусу кривошипа), может быть значительно большим, чем радиус кривошипа двигателя с возвратно-поступательным перемещением для того же рабочего объема цилиндра. Более того, давление газа, образующегося от сгорания, преобразуется в выходной крутящий момент посредством вышеупомянутого большего радиуса вращения, тем самым значительно повышая эффективность преобразования из давления газа, образующегося от сгорания, в выходные характеристики (крутящий момент, лошадиная сила) и получая двигатель внутреннего сгорания, имеющий высокую экономическую эффективность в потреблении топлива.
Роторный двигатель Е1 имеет один дугообразный элемент 6 секционирования на одной стороне ротора 2 и первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования на корпусе 4. Один такт сгорания реализуется посредством одного вращения выходного вала 1 и, следовательно, рабочий объем цилиндра может быть уменьшен до половины рабочего объема цилиндра четырехтактного двигателя с той же выходной мощностью, тем самым уменьшая размеры двигателя. Например, когда кольцевая рабочая камера 5 имеет внутренний радиус 17 см, внешний радиус 23 см и толщину 4 см в осевом направлении, а рабочая камера 80 впуска имеет длину дуги в 105 градусов в направлении вдоль окружности, рабочая камера 80 впуска имеет объем примерно 750 кубических сантиметров, что соответствует четырехтактному двигателю, имеющему рабочий объем цилиндра в 1500 кубических сантиметров. Более того, это соответствует четырехтактному двигателю, имеющему рабочий объем цилиндра в 3000 кубических сантиметров, поскольку два набора кольцевой рабочей камеры 5 предоставлены на каждой стороне ротора 2. Тем не менее, вследствие сжатой топливно-воздушной смеси, остающейся во впускном канале 91, внутренний и внешний радиус могут составлять 18 см и 24 см, соответственно, на практике.
Помимо этого, такт сгорания может охватывать 180-200 градусов или даже больше выходного вала. Такт сгорания может быть сделан больше, чем такт сгорания четырехтактного двигателя, для повышенной эффективности сгорания. Кольцевая рабочая камера 5 сформирована на каждой стороне ротора 2, и ротор 2 совместно используется посредством двух наборов двигателя Е1 и Е2. Это выгодно для создания двигателя меньшего размера, но с лучшими выходными характеристиками, и для меньших скоростей вращения двигателя.
Частично модифицированный вариант осуществления вышеуказанного роторного двигателя Е описывается далее.
Второй вариант осуществления
Как показано на фиг.27 и 28, давление газа сжатой топливно-воздушной смеси прикладывается к первому возвратно-поступательному элементу 7А секционирования в направлении вдоль окружности в рамках рабочей камеры сжатия, а давление газа, образующегося от сгорания, прикладывается к первому возвратно-поступательному элементу 7А секционирования в направлении вдоль окружности в рамках рабочей камеры сгорания. Далее предусмотрен зацепляющий направляющий механизм 110 для недопущения перемещения возвратно-поступательного элемента 7А секционирования в направлении вдоль окружности и предоставления ему возможности перемещаться параллельно оси выходного вала 1. Зацепляющий направляющий механизм 110 содержит зацепляющие выступы 111, 112 и зацепляющие канавки 111а, 112а, с которыми зацепляющие выступы 111, 112 зацепляются без толчков в направлении вдоль окружности, но с возможностью скольжения в осевом направлении.
Зацепляющие выступы 111, 112 выступают из внутренней и внешней периферийных боковых поверхностей 50, 51 скольжения первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования в центре в направлении ширины, соответственно, и являются параллельными оси выходного вала 1. Зацепляющие канавки 111а, 112а выточены во внутренней и внешней периферийных стенках 25а, 25b кольцевой рабочей камеры 5, соответственно. Давление газа, прикладываемое к первому возвратно-поступательному элементу 7А секционирования в направлении вдоль окружности, поддерживается посредством зацепляющего направляющего механизма 110, посредством чего нагрузка на первый возвратно-поступательный элемент 7А секционирования уменьшается, и упругая деформация первого возвратно-поступательного элемента 7А секционирования в направлении вдоль окружности может быть исключена. Следовательно, первый возвратно-поступательный элемент 7А секционирования может совершать плавное возвратно-поступательное движение и быть уменьшен в размерах. При этом зацепляющий выступ и зацепляющая канавка на одной стороне (на внутренней или внешней стороне) могут быть исключены. Элементы шплинтов могут быть использованы вместо зацепляющих выступов 111, 112.
Зацепляющий направляющий механизм 110А, показанный на фиг.29, используется для той же цели, что и зацепляющий направляющий механизм 110. Зацепляющий направляющий механизм 110А содержит зацепляющие выступы 113, 114, идущие по всей ширине внутренней и внешней периферийных боковых поверхностей первого возвратно-поступательного элемента 7В секционирования в направлении вдоль окружности, и зацепляющие канавки 113а, 114а, сформированные на внутренней и внешней периферийных стенках 25а и 25b кольцевой рабочей камеры 5, с которыми зацепляющие выступы 113, 114 зацепляются без толчков в направлении вдоль окружности, но с возможностью скольжения в осевом направлении. При этом зацепляющий выступ и зацепляющая канавка на одной стороне (на внутренней или внешней стороне) могут быть исключены. В этой структуре внутренняя и внешняя периферийные стенки 25а, 25b кольцевой рабочей камеры 5 являются большей частью цилиндрическими. Такой же зацепляющий направляющий механизм, что и зацепляющий направляющий механизм 110 или 110А, может быть предусмотрен во втором возвратно-поступательном элементе 8 секционирования.
Третий вариант осуществления
Как и в вышеописанном варианте осуществления, когда кольцевая рабочая камера 5А имеет прямоугольное поперечное сечение, воспламеняемость топливно-воздушной смеси может быть меньше в углах кольцевой рабочей камеры 5А. Далее, как показано на фиг.30-32, кольцевая рабочая камера 5А имеет прямоугольный полупрофиль с закругленными углами в плоскости, содержащей ось выходного вала 1. Эта кольцевая рабочая камера 5А состоит из неглубокой канавки 115, сформированной в роторе 2А, и глубокой канавки 120, сформированной в корпусе 4А.
Неглубокая канавка 115 имеет первую кольцевую стенку 116 на плоскости, ортогональной оси выходного вала 1, и внутреннюю и внешнюю угловые стенки 117, 118, которые находятся на внутренней периферийной стороне и на внешней периферийной стороне первой кольцевой стенки 116. Глубокая канавка 120 имеет внутреннюю цилиндрическую стенку 121, внешнюю цилиндрическую стенку 122, вторую кольцевую стенку 123 на плоскости, ортогональной оси выходного вала 1, и внутреннюю и внешнюю угловые стенки 124, 125, которые находятся на внутренней периферийной стороне и на внешней периферийной стороне второй кольцевой стенки 123. Как показано на фиг.31 и 32, первый возвратно-поступательный элемент 7С секционирования имеет большую ширину в направлении вдоль окружности. Тот же зацепляющий направляющий механизм, что и зацепляющий направляющий механизм 110А, предусмотрен для первого возвратно-поступательного элемента 7С секционирования. Первый возвратно-поступательный элемент 7С секционирования имеет на переднем конце поперечное сечение, секционирующее неглубокую канавку 115. Первая и вторая контактные поверхности 58А, 59А имеют увеличенную ширину. Первая и вторая контактные поверхности 58А, 59А оснащены канавками для установки уплотнения и уплотняющими элементами 63А, 64А, идущими от внутренней цилиндрической стенки 121 к внешней цилиндрической стенке 122 глубокой канавки 120.
Сплошная линия 126 представляет границу между ротором 2А и корпусом 4А, а ломаная линия 127 представляет концы закругленных угловых стенок 124, 125. Внутренняя периферийная стенка кольцевой рабочей камеры 5А является большей частью цилиндрической, и внешняя периферийная стенка является большей частью цилиндрической. Вместо использования первой и второй контактных поверхностей 58А, 59А, имеющих увеличенную ширину, неглубокие пазы, создающие герметичный контакт с передней частью первого возвратно-поступательного элемента 7С секционирования, могут быть сформированы в первой и второй наклонных поверхностях 41, 43.
Четвертый вариант осуществления
Как показано на фиг.33, первый возвратно-поступательный элемент 7D секционирования установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в корпусе 4. Вспомогательная камера 13А сгорания сформирована в первом возвратно-поступательном элементе 7D секционирования. Уплощенный впускной канал 130, соединяющий рабочую камеру 81 сжатия с вспомогательной камерой 13А сгорания, сформирован в задней торцевой стенке первого возвратно-поступательного элемента 7D секционирования. Уплощенный выпускной канал 131, соединяющий рабочую камеру 81 сжатия с вспомогательной рабочей камерой 13А сгорания, сформирован в передней торцевой стенке первого возвратно-поступательного элемента 7D секционирования. Поворотный клапан 132 для открытия/закрытия уплощенного впускного канала 130 и поворотный клапан 133 для открытия/закрытия уплощенного выпускного канала 131 установлены с возможностью вращения в первом возвратно-поступательном элементе 7D секционирования. Поворотные клапаны 132, 133 все вращаются на 90 градусов посредством привода (не показан), чтобы открывать/закрывать впускной и выпускной каналы 130, 131, соответственно, синхронно с вращением выходного вала 1. При этом свеча 17 зажигания для воспламенения сжатой топливно-воздушной смеси в вспомогательной камере 13А сгорания также предусмотрена. Впускной канал 130 является уплощенным и небольшим по длине, тем самым имея меньший объем, что подходит для компактных роторных двигателей.
Впускной и выпускной каналы 130, 131 могут открываться/закрываться посредством смещения поворотных клапанов 132, 133 в осевом направлении.
Пятый вариант осуществления
Ротор 2В имеет кольцевую канавку 140, которая является канавкой, аналогичной канавке 25, составляющей кольцевую рабочую камеру 5, и открытой на боковине к корпусу 4В. Ротор 2В оснащен возвратно-поступательным элементом 7R секционирования в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением). Как показано на фиг.34, корпус 4В неразъемно предусмотрен с одним или несколькими дугообразными элементами 6А секционирования в качестве элемента секционирования рабочей камеры. Вспомогательная камера 13В сгорания сформирована, по меньшей мере, в одном из дугообразных элементов 6А секционирования. Уплощенный впускной канал 141, соединяющий рабочую камеру сжатия с вспомогательной камерой 13В сгорания, сформирован в задней торцевой стенке дугообразного элемента 6А секционирования, а уплощенный выпускной канал 142, соединяющий вспомогательную камеру 13В сгорания с рабочей камерой сжатия, сформирован в передней торцевой стенке дугообразного элемента 6А секционирования.
Поворотный клапан 143 для открытия/закрытия впускного канала 141 и поворотный клапан 144 для открытия/закрытия выпускного канала 142 установлены с возможностью вращения в дугообразном элементе 6А секционирования. Поворотные клапаны 143, 144 все вращаются на 90 градусов посредством пускателя (не показан), чтобы открывать/закрывать впускной и выпускной каналы 141, 142, соответственно, синхронно с вращением выходного вала 1. При этом свеча 17 зажигания для воспламенения сжатой топливно-воздушной смеси в вспомогательной камере 13В сгорания также предусмотрена. Впускной канал 141 является уплощенным и небольшим по длине, тем самым имея меньший объем, что подходит для компактных роторных двигателей. Впускной и выпускной каналы 141, 142 могут открываться/закрываться посредством смещения поворотных клапанов 143, 144 в осевом направлении. Элемент кожуха или корпуса для закрывания внутренней части ротора 2В может быть предоставлен при необходимости.
Шестой вариант осуществления
Как показано на фиг.35 и 36, этот роторный двигатель имеет первый возвратно-поступательный элемент 150 секционирования, имеющей первый и второй элементы 151, 152 секционирования. Зацепляющие направляющие механизмы 156, 157 предусмотрены для первого и второго элементов секционирования 151, 152. Вспомогательная камера 13С сгорания в форме частично усеченной сферы сформирована в первом элементе 151 секционирования. Вспомогательная камера 13С сгорания открыта на переднем конце первого элемента 151 секционирования. Второй элемент 152 секционирования прижимается к переднему концу первого элемента 151 секционирования с тем, чтобы закрывать/открывать вспомогательную камеру 13С сгорания.
Предусмотрен уплощенный впускной канал 153 для введения сжатой топливно-воздушной смеси из рабочей камеры 81 сжатия в вспомогательную камеру 13С сгорания. Поворотный клапан 154 для открытия/закрытия впускного канала 153 установлен в первом элементе 151 секционирования. Поворотный клапан 154 вращается на 90 градусов посредством привода (не показан), предусмотренного в первом элементе 151 секционирования, чтобы открывать/закрывать впускной канал 153. Первый элемент 151 секционирования также оснащен свечой 17 зажигания для воспламенения топливно-воздушной смеси в вспомогательной камере 13С сгорания и кольцевым уплотняющим элементом 155 для герметизации внешней границы отверстия вспомогательной камеры 13С сгорания.
Первый элемент 151 секционирования смещается в направлении выдвинутого положения посредством пневматической пружины или металлической пружины (не показана). Второй элемент 152 секционирования совершает возвратно-поступательное движение синхронно с вращением выходного вала 1 посредством кулачкового механизма (не показан), связанного с выходным валом 1. Фиг.37-41 иллюстрируют операции первого и второго элементов 151, 152 секционирования. Топливно-воздушная смесь вводится в вспомогательную камеру 13С сгорания из рабочей камеры сжатия на фиг.37, достигает мертвой точки сжатия на фиг.38 и воспламеняется с помощью свечи 17 зажигания на фиг.39. Далее газ, образующийся от сгорания, выталкивается в рабочую камеру сгорания из вспомогательной камеры 13С сгорания на фиг.40 и 41.
Для первого возвратно-поступательного элемента 150 секционирования впускной канал 153 может иметь очень небольшой объем, и газ, образующийся от сгорания, выталкивается в рабочую камеру сгорания из вспомогательной камеры 13С сгорания, что подходит для компактных двигателей.
Поворотные клапаны могут быть исключены. В этом случае впускной канал 153 может открываться/закрываться посредством третьего элемента секционирования, аналогичного второму элементу 152 секционирования, причем третий элемент секционирования выполнен на задней торцевой стороне первого элемента 151 секционирования и совершает возвратно-поступательное движение посредством кулачкового механизма.
Седьмой вариант осуществления
В роторном двигателе ЕА, показанном на фиг.42, ротор 2 содержит, в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), дугообразный элемент 6 секционирования, секционирующий кольцевую рабочую камеру 5, а корпус 4С оснащен возвратно-поступательным элементом 7Е секционирования, в качестве элемента секционирования рабочей камеры, и вспомогательной камерой сгорания (не показана), соответствующей ему. Второй возвратно-поступательный элемент 8 секционирования исключен. Корпус 4С имеет впускное отверстие 11, сформированное рядом с возвратно-поступательным элементом 7Е секционирования, на передней стороне, а не на возвратно-поступательном элементе 7Е секционирования, и выпускное отверстие 12, сформированное рядом с возвратно-поступательным элементом 7Е секционирования, на задней стороне, а не на возвратно-поступательном элементе 7Е секционирования. Впускной клапан (не показан) для открытия/закрытия впускного отверстия 11 и выпускной клапан (не показан) для открытия/закрытия выпускного отверстия 12 также предусмотрены.
В роторном двигателе ЕА впускной и выпускной клапаны надлежащим образом открываются/закрываются синхронно с вращением выходного вала 1, посредством чего каждые четыре вращения выходного вала 1 приводят к двум рабочим тактам. Когда два набора двигателей предусмотрены на каждой стороне ротора, каждые четыре вращения выходного вала 1 приводят к четырем рабочим тактам. Период сгорания охватывает угол вращения в 360 градусов выходного вала 1. Этот достаточный период сгорания значительно повышает эффективность сгорания.
Восьмой вариант осуществления
Роторный двигатель ЕВ, показанный на фиг.43, состоит из двигателя на фиг.42 с добавлением перегородки 7F с возвратно-поступательным перемещением, секционирующей кольцевую рабочую камеру 5, вспомогательную камеру сгорания (не показана), соответствующую ей, впускное отверстие 11А, выпускное отверстие 12А в корпусе 4D во вращательно симметричных позициях относительно возвратно-поступательного элемента секционирования 7Е, впускного отверстия 11 и выпускного отверстия 12 вокруг оси. Впускной клапан для открытия/закрытия впускного отверстия 11А и выпускной клапан для открытия/закрытия выпускного отверстия 12А также предусмотрены.
В двигателе ЕВ два набора впускных и выпускных клапанов надлежащим образом открываются/закрываются синхронно с вращением выходного вала 1, посредством чего каждые два вращения выходного вала 1 приводят к четырем рабочим тактам. Когда два набора двигателей предусмотрены на каждой стороне ротора, каждые два вращения выходного вала 1 приводят к восьми рабочим тактам.
Девятый вариант осуществления
В роторном двигателе ЕС, показанном на фиг.44, корпус 4Е оснащен первым и вторым элементами 7, 8 секционирования, секционирующими кольцевую рабочую камеру 5, как в роторном двигателе Е, а ротор содержит, в качестве элемента создания давления (находящегося под давлением), два дугообразных элемента 6, 6 секционирования, разнесенных примерно на 180 градусов в направлении вращения ротора. В двигателе ЕС два возгорания происходят каждое одно вращение выходного вала 1; рабочий такт осуществляется для каждого вращения на 180 градусов выходного вала 1. Следовательно, двигатель может быть уменьшен в размере, иметь запас по рабочему объему цилиндра и приводиться на меньших скоростях, тем самым приводя к повышенной эффективности сгорания.
Десятый вариант осуществления
Роторный двигатель ED, показанный на фиг.45, подходит для средних или крупных двигателей, работающих на меньших скоростях, таких как средние или крупные судовые двигатели. Аналогично двигателю Е, двигатель ED имеет первый и второй возвратно-поступательные элементы 7, 8 секционирования, установленные в корпусе 4F для секционирования кольцевой рабочей камеры 5. Корпус 4F также имеет дополнительное выпускное отверстие 160 в позиции примерно 120 градусов от переднего конца первого возвратно-поступательного элемента 7 секционирования. Вспомогательная камера сгорания (не показана) также предусмотрена рядом с первым возвратно-поступательном элементом 7 секционирования.
Ротор содержит, в качестве элемента создания давления (и к которому прикладывается давление), три дугообразных элемента 6, 6, 6 секционирования в трех равноудаленных позициях на окружности. В двигателе ED три возгорания происходят каждое одно вращение ротора. Рабочий такт осуществляется для каждого вращения на 120 градусов выходного вала 1. Два набора двигателей предусмотрены на каждой стороне ротора. Рабочий такт осуществляется для каждого вращения на 60 градусов выходного вала 1. Следовательно, двигатель может быть уменьшен в размере, иметь запас по рабочему объему цилиндра и приводиться на меньших скоростях, тем самым приводя к повышенной эффективности сгорания.
Одиннадцатый вариант осуществления
Роторный двигатель ЕЕ, показанный на фиг.46, подходит для средних или крупных двигателей, работающих на меньших скоростях, таких как судовые двигатели. Корпус 4G оснащен, в качестве элемента секционирования, секционирующего кольцевую рабочую камеру 5, четырьмя возвратно-поступательными элементами 7, 8 секционирования в четырех равноудаленных позициях на окружности. Ротор содержит, в качестве элемента создания давления (и к которому прикладывается давление), четыре дугообразных элемента 6 секционирования в четырех равноудаленных позициях на окружности. Впускные отверстия 11 сформированы рядом с возвратно-поступательным элементом 8 секционирования на передних сторонах в направлении вращения, а не на двух возвратно-поступательных элементах 8 секционирования, разнесенных на 180 градусов в направлении вдоль окружности, и выпускные отверстия 12 сформированы рядом с возвратно-поступательным элементом 8 секционирования на задних сторонах в направлении вращения. Вспомогательные камеры сгорания (не показаны) сформированы рядом с двумя возвратно-поступательными элементами 7 секционирования.
В двигателе ЕЕ две вспомогательные камеры сгорания воспламеняются для двух рабочих тактов в каждом вращении на 90 градусов выходного вала 1. Следовательно, каждое одно вращение выходного вала 1 приводит к восьми рабочим тактам. Как результат, двигатель может быть уменьшен в размере.
Как указано посредством ломаных линий, кольцевая рабочая камера 5А может быть сформирована внутри кольцевой рабочей камеры 5. Кольцевая рабочая камера 5А может быть оснащена несколькими возвратно-поступательными элементами секционирования, несколькими вспомогательными камерами сгорания и двумя наборами впускных и выпускных отверстий, как в случае с внешней кольцевой рабочей камерой 5. Таким образом, еще один набор двигателей дополнительно конструируется для эффективного использования пространства в роторе и корпусе. Два набора впускных и выпускных отверстий для кольцевой рабочей камеры 5А могут быть сформированы в правой стенке корпуса 4G. Таким образом, с двумя наборами двигателей, предусмотренных на одной стороне ротора, двигатель может быть дополнительно уменьшен в размере. Более того, четыре набора двигателей могут быть предоставлены на каждой стороне ротора. Следовательно, двигатель ЕЕ подходит для крупных судовых двигателей.
Двенадцатый вариант осуществления
Вышеописанные роторные двигатели в качестве примера поясняются как двигатель зажигания, в котором топливно-воздушная смесь воспламеняется посредством свечи зажигания. Роторный двигатель по настоящему изобретению применим к дизельным двигателям, в которых топливо впрыскивается в сжатый воздух во вспомогательной камере сгорания и воспламеняется за счет воспламенения от сжатия. Тем не менее, в случае дизельных двигателей коэффициент сжатия должен быть увеличен примерно до 22.
Промышленная применимость
Роторный двигатель по настоящему изобретению может быть использован в двигателях, использующих различные типы топлива, такие как тяжелое дизельное топливо, дизельное топливо, бензин, этанол, LPG, природный газ и газ азот; двигателях в различных вариантах применения, таких как транспортные средства, строительное оборудование, сельскохозяйственное оборудование, различное промышленное оборудование и судовые двигатели с различным рабочим объемом цилиндра; и в двигателях с рабочим объемом цилиндра от небольшого до большого.