РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY PISTON ENGINE

Изобретение относится к роторно-поршневому двигателю, который имеет по меньшей мере две рабочие камеры, образованные корпусом, вращающимся в нем рабочим ротором и по меньшей мере одним вращающимся дополнительным ротором. Изобретение также относится к технологии работы этого роторно-поршневого двигателя.
Данная конструкция роторно-поршневого двигателя известна из DE 3905081 А1. В этой конструкции рабочее тело направляется через вращающийся рабочий ротор в одну из рабочих камер и уплотняется, сгорает и расширяется внутри этой рабочей камеры, прежде чем направиться обратно через рабочий ротор после сгорания.
Выяснилось, что, например, в различных диапазонах частоты вращения роторно-поршневого двигателя могут быть желательны разные степени сжатия и моменты зажигания, что нельзя осуществить в традиционном роторно-поршневом двигателе из-за жесткой связи уплотнения, расширения и сгорания с вращательным движением рабочего и дополнительного ротора. Кроме того, вращаемость и плотность ротора при непрерывной эксплуатации может быть нарушена из-за остаточных продуктов сгорания в рабочих камерах.
Поэтому в основе изобретения лежит задача модифицировать конструкцию родового роторно-поршневого двигателя и технологию его работы, чтобы создать возможность осуществления разных степеней сжатия и моментов зажигания, а также повысить вращаемость и плотность ротора даже при непрерывной эксплуатации роторно-поршневого двигателя.
Задача изобретения решается за счет конструкции роторно-поршневого двигателя по пункту формулы изобретения 1, включающей не менее двух рабочих камер, образованных корпусом, вращающимся в нем рабочим ротором и по крайней мере одним дополнительным ротором, в то время как рабочее тело поступает по крайней мере через один канал из одной или более рабочих камер в одну или несколько других рабочих камер. За счет этого можно гораздо эффективнее управлять моментом зажигания и степенью сжатия, чем это возможно при использовании традиционного роторно-поршневого двигателя. Кроме того, вращаемость и плотность ротора может быть улучшена, в том числе при непрерывной эксплуатации, так как сгорание рабочего тела может происходить за пределами рабочих камер, соответственно, уменьшая количество остаточных продуктов сгорания внутри камер.
В результате за счет конструкции роторно-поршневого двигателя согласно изобретению можно достигнуть более высокого КПД. Этот роторно-поршневой двигатель может работать со всеми распространенными типами топлива, в частности с бензином, дизелем или водородом, и особенно подходит для применения в транспортных средствах любого типа, прежде всего, на воздушном, водном или наземном транспорте, а также в генераторах, компрессорах, блочных теплоэлектроцентралях или станках.
Топливо-воздушная смесь, а также получающиеся из нее продукты сгорания обычно называются рабочим телом.
Целесообразные модификации изобретения являются предметом дополнительных пунктов формулы изобретения.
Преимущества имеют место, если корпус будет соответствовать по меньшей мере одному из следующих требований:
- Корпус имеет хотя бы одно впускное окно для введения рабочего тела по меньшей мере в одну рабочую камеру.
- Корпус имеет хотя бы одно выпускное окно для выведения рабочего тела по меньшей мере из одной рабочей камеры.
- Корпус сконструирован таким образом, что с наружной стороны в плоскости, расположенной перпендикулярно оси рабочего ротора, имеется закругление, огибающее ось рабочего ротора, и/или закругление, огибающее ось одного или нескольких дополнительных роторов, причем предпочтительно, чтобы длина дуги закругления составляла преимущественно не менее 45°, предпочтительнее не менее 90°, особенно предпочтительно не менее 120°.
- Корпус хотя бы частично изготовлен в зеркальной симметричности, предпочтительнее, если он симметричен по плоскости, которая проходит через оси рабочего ротора и одного или нескольких дополнительных роторов.
- Корпус содержит не менее двух частей (преимущественно не менее двух абсолютно симметричных частей, предпочтительно не менее двух идентичных частей), покрывающих рабочий ротор и один или несколько дополнительных роторов с разных сторон их окружности.
- Корпус разделяется главным образом в плоскости, которая проходит через оси рабочего ротора и одного или нескольких дополнительных роторов, либо в параллельной ей плоскости.
- Корпус обрамляет механизм синхронизации, предназначенный для синхронизации рабочего ротора и одного или нескольких дополнительных роторов.
По крайней мере одна из этих конструкций роторно-поршневого двигателя характеризуется компактностью исполнения и легкостью монтажа. В случае неисправности или переоборудования можно легко заменить отдельные компоненты роторно-поршневого двигателя, в частности, рабочий и дополнительный ротор.
Преимущества имеют место, если рабочий ротор соответствует хотя бы одному из следующих требований:
- Рабочий ротор устанавливает границы хотя бы одной рабочей камеры в осевом направлении (по крайней мере с одной стороны, а предпочтительнее с обеих сторон).
- Рабочий ротор устанавливает границы хотя бы одной рабочей камеры вдоль окружности (по крайней мере с одной стороны, а предпочтительнее с обеих сторон).
- Рабочий ротор устанавливает границы хотя бы одной рабочей камеры в радиальном направлении (по крайней мере с одной стороны, а предпочтительнее радиально с внутренней стороны).
- Рабочий ротор шире, чем один или несколько дополнительных роторов.
- Рабочий ротор выходит за пределы одного или нескольких дополнительных роторов в осевом направлении (по крайней мере с одной стороны, а предпочтительнее с обеих сторон).
- Рабочий ротор в основном сконструирован в форме полого цилиндра.
- Сжатое рабочее тело направляется на сгорание через ротор, преимущественно в осевом и/или радиальном направлении, еще лучше в радиальном направлении внутрь.
- Рабочий ротор имеет рабочую поверхность по сути в форме цилиндра с хотя бы одним углублением (выемкой) для образования по меньшей мере одного участка канала и/или по меньшей мере одной камеры сгорания, при этом радиус рабочей поверхности преимущественно резко сокращается вдоль окружности рабочего ротора к началу углубления и затем снова увеличивается с незначительным шагом до первоначального значения.
- Рабочий ротор имеет две боковины, которые удалены друг от друга в осевом направлении и в промежуточном пространстве очерчивают по меньшей мере одну рабочую камеру, при этом по крайней мере одна из боковин хотя бы частично сконструирована в форме круга или кольца.
- Рабочий ротор имеет по меньшей мере один разделительный элемент, предназначенный для разделения двух или более рабочих камер друг от друга, при этом разделительный элемент проходит преимущественно в осевом и/или радиальном направлении ротора, предпочтительно соединяя две боковины рабочего ротора.
- Рабочий ротор имеет по меньшей мере одно приемное отверстие для установки хотя бы одного газонаправляющего устройства.
- Рабочий ротор имеет радиальный внутренний элемент и радиальный внешний элемент, соединяющиеся друг с другом на боковине рабочего ротора; при этом на другой боковине ротора между радиальным внутренним элементом и радиальным внешним элементом предусмотрено открывающееся в осевом направлении приемное отверстие для установки газонаправляющего устройства.
- Рабочий ротор образует или содержит хотя бы один участок канала, который выравнивается с одним или несколькими другими участками канала (преимущественно размещенном неподвижно по отношению к корпусу участком канала), таким образом, чтобы участки канала могли контактировать друг с другом, при этом предпочтительно, чтобы участок канала хотя бы частично был образован рабочей поверхностью и/или боковиной рабочего ротора.
- Рабочий ротор образует или содержит хотя бы один участок канала, который проходит сквозь ротор, предпочтительно в радиальном направлении, при этом предпочтительно, чтобы участок канала был сконструирован щелеобразно и шел вдоль окружности рабочего ротора, а по меньшей мере два идентичных участка канала располагались рядом друг с другом в осевом направлении рабочего ротора.
- Рабочий ротор имеет оболочку по форме цилиндрической поверхности, которая предпочтительно идет от перегородки со стороны ее переднего конца, направленного в направлении вращения, чтобы по крайней мере частично устанавливать границы хотя бы одной из рабочих камер в радиальном направлении с внутренней стороны, при этом предпочтительно, чтобы оболочка проходила только по части окружности рабочего ротора, оставляя отверстие, проходящее хотя бы по одной части окружности рабочего ротора, с тем чтобы канал мог контактировать через это отверстие по меньшей мере с одной рабочей камерой (предпочтительнее с другой или другими камерами).
- Рабочий ротор сконструирован несимметрично.
- Рабочий ротор содержит элементы жесткости и/или элементы, предназначенные для контроля тепловой деформации и/или динамической балансировки, преимущественно ребра жесткости и/или материалы с различными характеристиками теплового расширения и/или выемки в материалах, в частности, отверстия для балансировки.
- Рабочий ротор демонстрирует эксцентриковый принцип работы.
- Рабочий ротор герметично прилегает к корпусу.
- Рабочий ротор содержит по меньшей мере одно уплотнение, в частности уплотнительную пластину, преимущественно с предварительным натягом в радиальном направлении наружу за счет пружины, с тем чтобы уплотнять сопряжение разделительного элемента рабочего ротора с одним или несколькими дополнительными роторами, при этом предпочтительно, чтобы уплотнение было защищено кинематическим замыканием с рабочим ротором.
По крайней мере одна из этих конструкций роторно-поршневого двигателя может принести различные преимущества по сравнению с традиционным роторно-поршневым двигателем, в частности, если рабочая камера ограничивается по бокам рабочим ротором. За счет этого возникающая между рабочим телом и корпусом поперечная сила меньше, потому что минимизируется площадь контакта рабочего тела с корпусом.
Могут иметь место дополнительные преимущества, если по меньшей мере один из вращающихся дополнительных роторов соответствует хотя бы одному из следующих требований:
- Дополнительный ротор установлен в корпусе.
- Геометрические параметры дополнительного ротора комплементарны параметрам рабочего ротора.
- Дополнительный ротор вращается, плотно прилегая к рабочему ротору.
- Дополнительный ротор делит пространство между рабочим ротором и корпусом на рабочую камеру с возрастающим объемом и рабочую камеру с убывающим объемом.
- Дополнительный ротор взаимодействует с рабочим ротором таким образом, чтобы дополнительный ротор преимущественно полностью вытеснял рабочее тело хотя бы из одной рабочей камеры.
- Дополнительный ротор содержит по меньшей мере один приемный участок для приема разделительного элемента рабочего ротора.
- Дополнительный ротор соединяется с рабочим ротором, преимущественно посредством механизма передачи, предпочтительно посредством зубчатой передачи.
- Дополнительный ротор сконструирован несимметрично.
- Дополнительный ротор содержит элементы жесткости и/или элементы, предназначенные для контроля тепловой деформации и/или динамической балансировки, преимущественно ребра жесткости и/или материалы с различными характеристиками теплового расширения и/или выемки в материалах, в частности, отверстия для балансировки.
- Дополнительный ротор демонстрирует эксцентриковый принцип работы.
- Дополнительный ротор герметично прилегает к корпусу.
- Дополнительный ротор вращается с периферической скоростью, отличной от скорости рабочего ротора.
- Оси дополнительного ротора и рабочего ротора лежат в одной плоскости.
По крайней мере одна из этих конструкций роторно-поршневого двигателя облегчает заполнение и опорожнение рабочих камер в различных рабочих циклах роторно-поршневого двигателя.
Благоприятное исполнение изобретения, относящееся к роторно-поршневому двигателю, возможно в том случае, если канал соответствует хотя бы одному из следующих требований:
- Канал может закрываться.
- Рабочее тело может двигаться по каналу только в одном направлении.
- В сущности канал сконструирован герметично, позволяя рабочему телу проходить между горловинами канала со стороны впускного и выпускного окна без потерь давления.
- Со стороны впускного и/или выпускного окна канал может контактировать хотя бы с одной рабочей камерой только в пределах угла вращения рабочего ротора (преимущественно в регулируемом диапазоне угла вращения), при этом предпочтительно, чтобы диапазон угла вращения рабочего ротора, в котором канал со стороны впускного окна контактирует с одной или несколькими рабочими камерами, отличался от диапазона угла вращения, в котором канал со стороны выпускного окна контактирует с одной или несколькими другими рабочими камерами.
- Канал может открываться со стороны впускного окна только к одной или нескольким рабочим камерам, а со стороны выпускного окна только к одной или нескольким другим рабочим камерам, таким образом, рабочее тело может поступать в канал только из одной или нескольких рабочих камер и выходить из канала только в одну или несколько других рабочих камер.
- Канал сокращает путь рабочего тела, при этом путь по каналу между горловинами со стороны впускного и выпускного окна короче, чем длина дуги, огибающая ось рабочего ротора между горловинами канала со стороны впускного и выпускного окна.
- Канал содержит по крайней мере два участка канала, выравниваемые друг с другом для взаимного контакта, при этом по крайней мере один участок канала вращается в корпусе, а по меньшей мере один другой участок канала входит в состав корпуса либо расположен неподвижно по отношению к корпусу, причем хотя бы один из вращающихся участков канала и хотя бы один из неподвижных участков канала могут контактировать друг с другом в диапазоне угла вращения рабочего ротора (предпочтительно в регулируемом диапазоне), и хотя бы один из вращающихся участков канала расположен радиально внутри хотя бы одного неподвижного участка канала, и/или хотя бы один из вращающихся участков канала расположен радиально снаружи хотя бы одного неподвижного участка канала.
- Канал содержит по крайней мере две группы участков канала, при этом участки канала одной группы выравниваются друг с другом для взаимного контакта, причем хотя бы один участок канала одной группы вращается в корпусе, а хотя бы один другой участок канала одной группы входит в состав корпуса либо размещен неподвижно по отношению к корпусу. При этом хотя бы один из вращающихся участков канала и хотя бы один из неподвижных участков канала одной группы могут контактировать друг с другом в диапазоне (предпочтительнее в регулируемом диапазоне) угла вращения рабочего ротора, причем участки каналов разных групп, соотнесенные с осью рабочего ротора, не перекрывают друг друга в осевом направлении и/или в радиальном направлении и/или вдоль окружности. Предпочтительно, чтобы участки канала одной группы и другой группы могли контактировать друг с другом только в разных диапазонах угла вращения рабочего ротора. Также хотя бы один из вращающихся участков канала одной группы должен быть расположен радиально внутри хотя бы одного неподвижного участка канала группы и/или хотя бы один из вращающихся участков канала одной группы должен быть расположен радиально снаружи хотя бы одного неподвижного участка канала группы.
- Со стороны впускного и/или выпускного окна канал в сущности выходит касательно к окружности рабочего ротора в одну или несколько рабочих камер, при этом угол, описываемый осью канала по касательной к окружности рабочего ротора в зоне горловины, составляет преимущественно не более 89°, предпочтительнее не более 45°, еще предпочтительнее не более 30° и лучше всего не более 15°. Замеры угла производятся по направлению вращения или против направления вращения рабочего ротора.
- Со стороны впускного и/или выпускного окна канал выходит по крайней мере в одну из рабочих камер в осевом и/или радиальном направлении (преимущественно в радиальном направлении изнутри).
- Со стороны впускного окна канал отходит от заднего конца одной или нескольких рабочих камер.
- Со стороны выпускного окна канал выходит в одну или несколько рабочих камер на переднем конце.
- Канал по крайней мере частично проходит внутри рабочего ротора, преимущественно вдоль и/или внутри рабочей поверхности и/или вдоль либо внутри по меньшей мере одной боковины рабочего ротора.
- Поперечное сечение канала сужается со стороны впускного окна и/или расширяется со стороны выпускного окна (в направлении потока).
- Горловина канала со стороны выпускного окна охватывает не менее 50%, преимущественно не менее 75%, предпочтительнее 100% осевой длины и/или периметра взаимодействующей с ним рабочей камеры.
- Горловина канала со стороны впускного окна и горловина канала со стороны выпускного окна не перекрывают друг друга в осевом направлении и/или в радиальном направлении и/или вдоль окружности относительно оси рабочего ротора.
- Горловина канала со стороны впускного окна и горловина канала со стороны выпускного окна удалены друг от друга в осевом направлении и/или в радиальном направлении и/или в направлении вдоль окружности относительно оси рабочего ротора.
- Горловина канала со стороны впускного окна и горловина канала со стороны выпускного окна отличаются размерами, причем горловина канала со стороны выпускного окна должна быть больше (не менее чем на 50%, лучше по меньшей мере на 100%, а лучше всего на 200%), чем горловина канала со стороны впускного окна.
- Один или несколько вторых каналов переносят рабочее тело из одной или нескольких других рабочих камер в одну или несколько дополнительных рабочих камер.
Преимущество по крайней мере одной из этих конструкций роторно-поршневого двигателя заключается в том, что в случае необходимости канал может быть открыт только с одной стороны, позволяя переправлять по каналу рабочее тело из камеры сжатия в камеру расширения только в одном направлении. За счет этого исключается возможность обратного хода рабочего тела даже при высоких оборотах и давлении. Если желательна промывка канала, то можно предусмотреть, чтобы канал по крайней мере временно был открыт со стороны впускного и выпускного окна, например, кратковременно во время подачи рабочего тела в рабочую камеру со стороны впускного окна или его уплотнения в ней.
Преимущества имеют место, если роторно-поршневой двигатель будет иметь по меньшей мере одну камеру сгорания, которая соответствует по крайней мере одному из следующих требований:
- Канал направляет рабочее тело через камеру сгорания, преимущественно исключительно через камеру сгорания.
- Камера сгорания контактирует с каналом.
- Камера сгорания расположена радиально внутри и/или по оси внутри рабочего ротора.
- Камера сгорания сконструирована для расположения радиально внутри и/или по оси внутри рабочего ротора.
- Камера сгорания находится, по крайней мере в момент зажигания, частично между осью рабочего ротора и осью одного или нескольких дополнительных роторов.
- Камера сгорания перекрывает по меньшей мере одну рабочую камеру, преимущественно ту, которая взаимодействует с горловиной канала со стороны впускного окна, в радиальном направлении.
- Камера сгорания может контактировать через одно или несколько отверстий с инжекционным и/или запальным устройством, причем отверстие должно закрываться. Предпочтительно, если несколько запальных устройств будут расположены на различных сторонах камеры сгорания.
- Камера сгорания содержит систему охлаждения, преимущественно, жидкостное охлаждение, и/или систему масляной смазки, преимущественно циркуляционную смазочную систему.
- Камера сгорания сконструирована в форме углубления или выемки на рабочем роторе.
- Камера сгорания вращается с рабочим ротором.
- Рабочий ротор обкатывается вокруг камеры сгорания.
- Камера сгорания размещена неподвижно по отношению к корпусу, преимущественно с возможностью регулировки положения по отношению к корпусу.
- Камера сгорания содержит и/или образует один участок канала.
- Камера сгорания находится на конце канала со стороны выпускного окна.
- Камера сгорания образует конец канала со стороны выпускного окна.
- Камера сгорания открывается с расширением к одной или нескольким рабочим камерам, преимущественно к переднему концу одной или нескольких рабочих камер.
В любой из указанных ранее конструкций роторно-поршневого двигателя можно оптимизировать положение камеры сгорания таким образом, чтобы она взаимодействовала с рабочими камерами со стороны впускного и со стороны выпускного окна через особенно краткие пути прохождения рабочего тела по каналу. За счет этого минимизируются потери энергии, возникающие в результате обходного пути или изменения движения рабочего тела.
Может оказаться полезным, если роторно-поршневой двигатель будет иметь по меньшей мере одно газонаправляющее устройство, соответствующее хотя бы одному из следующих требований:
- Канал направляет рабочее тело через газонаправляющее устройство, преимущественно исключительно через газонаправляющее устройство.
- Газонаправляющее устройство контактирует с каналом.
- Газонаправляющее устройство образует часть корпуса.
- Газонаправляющее устройство размещено внутри или снаружи корпуса.
- Газонаправляющее устройство размещено на корпусе с возможностью перемещения.
- Газонаправляющее устройство настраивается механически или переставляется динамически, предпочтительнее динамическая регулировка посредством блока управления или системы регулирования.
- Газонаправляющее устройство может поворачиваться вдоль окружности корпуса.
- Газонаправляющее устройство расположено на общей оси с рабочим ротором.
- Газонаправляющее устройство в сущности сконструировано в форме полого цилиндра.
- Газонаправляющее устройство расположено радиально и/или по направлению оси внутри рабочего ротора.
- Газонаправляющее устройство устанавливает границы одной или нескольких рабочих камер в радиальном направлении хотя бы с одной стороны, предпочтительнее радиально с внутренней стороны.
- Газонаправляющее устройство устанавливает границы камеры сгорания в радиальном направлении хотя бы с одной стороны, предпочтительнее радиально с внешней стороны.
- Газонаправляющее устройство содержит камеру сгорания.
- Газонаправляющее устройство герметично вставляется в приемное отверстие рабочего ротора, причем предпочтительно, чтобы газонаправляющее устройство и радиальный внешний участок рабочего ротора вместе по крайней мере частично очерчивали одну или несколько рабочих камер, и/или газонаправляющее устройство и радиальный внутренний участок рабочего ротора вместе по крайней мере частично очерчивали камеру сгорания.
- Газонаправляющее устройство содержит по меньшей мере один участок канала, который выравнивается с одним или несколькими другими участками канала, предпочтительнее с вращающимся участком канала (лучше с участком канала рабочего ротора), таким образом, чтобы участки канала могли контактировать друг с другом, в частности, в осевом и/или радиальном направлении относительно оси рабочего ротора.
- Газонаправляющее устройство содержит по меньшей мере два участка канала, которые попеременно выравниваются с одним или несколькими другими участками, предпочтительнее с вращающимся участком канала (лучше с участком канала рабочего ротора), таким образом, чтобы участки канала могли контактировать друг с другом, в частности, в осевом и/или радиальном направлении относительно оси рабочего ротора.
- Газонаправляющее устройство содержит по меньшей мере два взаимно регулируемых элемента газонаправляющего устройства, которые соответственно содержат хотя бы один участок канала, при этом эти элементы должны быть регулируемыми, в то время как участки канала контактируют друг с другом, предпочтительнее, если элементы газонаправляющего устройства можно поворачивать относительно друг друга.
- Газораспределительное устройство содержит по меньшей мере один дожимной компрессор.
- По крайней мере один из участков канала газонаправляющего устройства сконструирован шлицеобразно и идет вдоль окружности через рабочую поверхность газонаправляющего устройства.
Может оказаться полезным, если по меньшей мере одна из рабочих камер будет соответствовать хотя бы одному из следующих требований:
- По крайней мере одна рабочая камера образует камеру сжатия, предназначенную для уплотнения рабочего тела.
- По крайней мере одна рабочая камера образует камеру расширения, предназначенную для расширения рабочего тела.
- По крайней мере две рабочие камеры характеризуются разными осевыми и/или радиальными размерными параметрами относительно оси вращения рабочего ротора.
- По крайней мере две рабочие камеры характеризуются различными профилями поперечного сечения в плоскости, включающей в себя ось вращения рабочего ротора.
- В плоскости, которая включает в себя ось вращения рабочего ротора, одна рабочая камера или группа рабочих камер с большей площадью поперечного сечения образует камеру сжатия или группу камер сжатия, а рабочая камера или группа рабочих камер с меньшей площадью поперечного сечения образует камеру расширения или группу камер расширения.
- По меньшей мере две рабочие камеры расположены со смещением относительно друг друга в осевом направлении и/или радиальном направлении и/или вдоль окружности.
- По меньшей мере две рабочие камеры (преимущественно все рабочие камеры) расположены вдоль окружности друг за другом.
- По меньшей мере две рабочие камеры расположены в осевом направлении и/или радиальном направлении и/или вдоль окружности с наложением друг на друга.
- По меньшей мере две рабочие камеры расположены в осевом направлении и/или радиальном направлении и/или вдоль окружности без наложения друг на друга.
- По меньшей мере две рабочие камеры расположены в осевом направлении хотя бы частично рядом друг с другом.
Целесообразная модификация изобретения характеризуется наличием по меньшей мере одного дожимного компрессора, который соответствует хотя бы одному из следующих требований:
- Канал направляет рабочее тело через дожимной компрессор, предпочтительнее исключительно через дожимной компрессор, тем самым осуществляя сжатие рабочего тела в дожимном компрессоре.
- Дожимной компрессор контактирует с каналом.
- Дожимной компрессор уплотняет рабочее тело после его выхода из одной или нескольких рабочих камер.
- Дожимной компрессор уплотняет рабочее тело перед его поступлением в другую рабочую камеру.
- Дожимной компрессор уплотняет рабочее тело механическим и/или пневматическим и/или гидравлическим способом.
- Дожимной компрессор вытесняет рабочее тело преимущественно в направлении рабочей камеры со стороны выпускного окна.
- Дожимной компрессор содействует поступлению рабочего тела в рабочую камеру со стороны впускного окна путем подсоса рабочего тела, взаимодействуя с этой рабочей камерой через канал.
- Дожимной компрессор путем уплотнения вызывает самозажигание рабочего тела.
- Дожимной компрессор имеет по крайней мере один поршневой компрессор с хотя бы одним поршнем и хотя бы одной камерой сжатия, при этом поршневой компрессор образует на противоположных концах поршня две камеры сжатия, предпочтительнее, если поршень временно закрывает и временно открывает хотя бы одно отверстие камеры сжатия со стороны впускного окна и/или хотя бы одно отверстие со стороны выпускного окна.
- Дожимной компрессор имеет хотя бы один кулачок для передвижения одного или нескольких поршней поршневого компрессора, при этом предпочтительнее, чтобы кулачок был механически сопряжен с рабочим ротором и/или был расположен по одной оси с рабочим ротором. Лучше, чтобы кулачок вращался с той же угловой скоростью, что и рабочий ротор.
- Дожимной компрессор хотя бы частично расположен радиально и/или по оси внутри рабочего ротора.
- Дожимной компрессор хотя бы частично образует камеру сгорания.
- Рабочее тело сгорает внутри дожимного компрессора.
Другой аспект изобретения относится к технологии работы роторно-поршневого двигателя, в частности его конструкции согласно одному из вышеописанных исполнений, состоящего по меньшей мере из двух рабочих камер, образованных корпусом, вращающимся в нем рабочим ротором и одним или несколькими дополнительными роторами, при этом рабочее тело поступает через хотя бы один канал из одной или нескольких рабочих камер в одну или несколько других рабочих камер. Технология включает в себя следующие циклы:
- Уплотнение рабочего тела хотя бы в одной рабочей камере;
- Поступление сжатого рабочего тела в канал, и
- Выход рабочего тела для расширения в одну или несколько других рабочих камер.
Другие выгодные модификации изобретения имеют место при любой комбинации выявленных признаков.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по первому варианту первого примера конструкции изобретения в первом рабочем цикле.
Фиг. 2 демонстрирует схематический фронтальный вид деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1 в первом рабочем цикле.
Фиг. 3 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1 во втором рабочем цикле.
Фиг. 4 демонстрирует схематический вид сзади деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1 во втором рабочем цикле.
Фиг. 5а, 5b демонстрируют схематическое трехмерное представление деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1.
Фиг. 6 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по второму варианту первого примера исполнения изобретения в первом рабочей цикле.
Фиг. 7 демонстрирует схематический фронтальный вид деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 6 в первом рабочем цикле.
Фиг. 8 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 6 во втором рабочем цикле.
Фиг. 9 демонстрирует схематический вид сзади деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 6 во втором рабочем цикле.
Фиг. 10а, 10b демонстрируют схематическое трехмерное перспективное представление деталей роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения.
Фиг. 11 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 10 в рабочем цикле.
Фиг. 12 демонстрирует схематический фронтальный вид деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 10 в рабочем цикле.
Фиг. 13 демонстрирует схематический вид сзади деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 10 в рабочем цикле.
Фиг. 14а-l демонстрируют различные схематические виды деталей роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения в различных рабочих циклах и тактах роторно-поршневого двигателя.
Фиг. 15а-с демонстрируют различные схематические виды для пояснения возможности передвижения элементов газонаправляющего устройства относительно корпуса роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения.
Фиг. 16 демонстрирует перспективный вид роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения, при этом корпус представлен в сечении.
Фиг. 17a-d демонстрируют различные перспективные представления деталей роторно-поршневого двигателя по первому варианту второго примера исполнения изобретения, основанного на первом варианте первого примера исполнения.
Фиг. 18a-f демонстрируют различные виды деталей роторно-поршневого двигателя по второму варианту второго примера исполнения изобретения, основанного на втором варианте первого примера исполнения.
Фиг. 19 демонстрирует перспективный вид деталей роторно-поршневого двигателя по второму варианту третьего примера исполнения изобретения, основанного на третьем варианте первого примера исполнения.
Фиг. 20а-n демонстрируют различные виды деталей роторно-поршневого двигателя по четвертому варианту второго примера исполнения изобретения, основанного на третьем варианте первого примера исполнения.
Фиг. 21a-e демонстрируют различные перспективные представления деталей роторно-поршневого двигателя по пятому варианту второго примера исполнения изобретения, основанного на третьем варианте первого примера исполнения.
Фиг. 22а-b демонстрируют различные перспективные представления деталей роторно-поршневого двигателя по шестому варианту второго примера исполнения изобретения, основанного на четвертом и пятом варианте второго примера исполнения.
Фиг. 23а-с демонстрируют различные схематические виды сечения роторно-поршневого двигателя с различными вариантами исполнения газонаправляющих устройств.
Детальное описание изобретения
Ниже по предпочитаемым примерам исполнения изобретения даются пояснения с указанием чертежей.
Первый пример исполнения (Фиг. 1 по 16) относится к роторно-поршневому двигателю с совместным движением камеры сгорания, а второй пример исполнения (Фиг. 17 по 22) - к роторно-поршневому двигателю с неподвижной камерой сгорания. По первому примеру исполнения (Фиг. 1 по 16) дается описание трех вариантов, при этом первый вариант (Фиг. 1 по 5) содержит дополнительный ротор и две рабочие камеры, второй вариант (Фиг. 6 по 9) - дополнительный ротор и три рабочих камеры, и третий вариант (Фиг. 10 по 16) - два дополнительных ротора и четыре рабочие камеры. По второму примеру исполнения дается описание шести вариантов. Первые два варианта (Фиг. 17a-d; 18a-f) второго примера исполнения (Фиг. 17 по 22) по сути основаны на первых двух вариантах первого примера исполнения, а варианты с третьего по шестой (Фиг. 19-22) основаны по сути на третьем варианте первого примера исполнения. В частности, четвертый (Фиг. 20a-j) и шестой варианты (Фиг. 22а-b) второго примера исполнения предусматривают, что рабочие камеры смещены и не накладываются друг на друга вдоль окружности и в радиальном направлении.
В пятом варианте (Фиг. 21a-e) второго примера исполнения роторно-поршневой двигатель имеет дожимной компрессор с камерой сжатия, а в шестом варианте (Фиг. 22a-b) - дожимной компрессор с двумя камерами сжатия. Признаки отдельных вариантов можно произвольно поменять друг с другом.
Первый пример исполнения
Основополагающий принцип действия изобретения наглядно поясняется на основе первого примера исполнения. Во всем описании для сопоставимых характеристик используются аналогичные ссылочные обозначения. Вместо повторения описания можно будет найти те же самые ссылочные обозначения в различных чертежах, при этом при новом использовании тех же самых ссылочных обозначений нужно принимать во внимание актуальные различия с предшествующим описанием (если они есть).
Изобретение относится к роторно-поршневому двигателю, состоящему по меньшей мере из двух рабочих камер а/а*, образованных корпусом 1, вращающимся в нем рабочим ротором 2 и хотя бы одним вращающимся дополнительным ротором 3, при этом рабочее тело поступает по хотя бы одному каналу 4 из хотя бы одной рабочей камеры а в другую рабочую камеру а* (или камеры).
Первичная функция корпуса 1 - удерживать рабочий ротор 2 и хотя бы один вращающийся дополнительный ротор 3, чтобы образовать рабочие камеры а/а* для уплотнения и расширения рабочего тела. Рабочее тело уплотняется, сгорает в одной или нескольких рабочих камерах а и расширяется в одной или нескольких других рабочих камерах а*. При этом энергия от расширения сгораемого рабочего тела используется для того, чтобы запустить рабочий ротор 2 по принципу турбины. Приводная мощность рабочего ротора 2 может быть поддержана валом отбора мощности 20, чтобы запустить, например, транспортное средство.
Корпус 1 содержит хотя бы одно впускное окно 11 (срав. Фиг. 14а-l), чтобы запускать рабочее тело в одну или несколько рабочих камер а/а*, и хотя бы одно выпускное окно 12 (срав. Фиг. 14а-l), чтобы выводить рабочее тело из одной или нескольких рабочих камер а/а*. При использовании клапана впускное окно 11 может одновременно служить выпускным окном 12. Для лучшей наглядности корпус 1, впускное окно 11 и выпускное окно 12 не представлены на многих чертежах.
Как можно увидеть, например, на Фиг. 16, корпус 1 сконструирован таким образом, что в плоскости, расположенной перпендикулярно оси рабочего ротора 2, с его внешней стороны он характеризуется закруглением 13 над осью рабочего ротора 2 и хотя бы одним закруглением 14 над осью одного или нескольких дополнительных роторов 3. Закругление 13 над осью рабочего ротора 2 может иметь длину дуги около 120°. Закругление 14 над осью одного или нескольких дополнительных роторов 3 может иметь, например, длину дуги не менее 240°. Эта конструкция характеризуется особой компактностью. С внешней стороны корпуса 1 могут быть предусмотрены ребра охлаждения, которые имеют или очерчивают вышеназванные закругления 13 и 14. (срав. Фиг. 20i, j).
Предпочтительно, чтобы корпус 1 был сконструирован в зеркальной симметричности относительно плоскости, которая проходит через оси рабочего ротора 2 и одного или нескольких дополнительных роторов 3, и разделялся в этой плоскости. Два идентичных элемента корпуса 15 скрепляются в плоскости осей рабочего ротора 2 и хотя бы одного вспомогательного ротора 3, покрывая рабочий ротор 2 и хотя бы один дополнительный ротор 3 на различных сторонах их периметра, открывая простой доступ для монтажа вала отбора мощности 20 рабочего ротора 2 и промежуточных валов 30 дополнительного ротора 3.
Рабочий ротор 2 и один или несколько дополнительных роторов 3 герметично прилегают к корпусу 1, образуя рабочие камеры а/а*. В первом примере исполнения рабочий ротор 2 имеет по сути цилиндрическую рабочую поверхность 21 с одним или несколькими углублениями в форме выемки, предназначенными для образования одной или нескольких камер сгорания 43. Углубление-выемка образуется за счет того, что радиус рабочей поверхности 21 резко сокращается к началу углубления вдоль окружности рабочего ротора 2, а затем снова увеличивается с незначительным шагом до первоначального значения. Две боковины 22, 23 рабочего ротора 2 удалены друг от друга в осевом направлении и соединены хотя бы одной перегородкой 24. Между боковинами 22, 23 рабочий ротор 2 устанавливает границы рабочих камер а/а* в осевом направлении с обеих сторон, а в направлении вдоль окружности по крайней мере с одной стороны с помощью перегородки 24. Боковина 22 по сути сконструирована в форме круга, в то время как другая боковина 23 - в форме кольца. Радиальный внутренний участок 2а рабочего ротора 2 соединен боковиной 22 с радиальным внешним участком 2 b рабочего ротора 2, образуя на другой боковине 23 между радиальным внутренним участком 2а и радиальным внешним участком 2b открывающееся в осевом направлении приемное отверстие 25 для установки регулируемого относительно корпуса газонаправляющего устройства. Радиально снаружи приемного отверстия 25 и рабочей поверхности 21 проходит оболочка 26 по форме цилиндрической рабочей поверхности, идущая между боковинами 22, 23 от переднего (если смотреть в направлении вращения) конца перегородки 24 и хотя бы частично ограничивающая камеру сжатия в радиальном направлении с внутренней стороны. Оболочка 26 покрывает только часть периметра рабочего ротора 2, оставляя отверстие 45, занимающее хотя бы часть окружности рабочего ротора 2, чтобы канал 4 мог контактировать через это отверстие 45 с камерой расширения а*.
Газонаправляющее устройство (срав. Фиг. 10) сконструировано по сути в форме полого цилиндра и устанавливается с возможностью перемещения относительно корпуса 1, а также может поворачиваться относительно корпуса 1 посредством механизма управления и регулировочного устройства в направлении вдоль окружности. Газонаправляющее устройство 5 вставляется герметично в приемное отверстие 25 между радиальным внутренним участком 2а и радиальным внешним участком 2b рабочего ротора 2 и устанавливается по одной оси с рабочим ротором 2, огибая рабочую поверхность 21 рабочего ротора 2 и образуя между рабочей поверхностью 21 и боковинами 22, 23 камеру сгорания 43. Камера сгорания 43, которая сконструирована по направлению оси внутри рабочего ротора 2 по сути в форме выемки, вращается вместе с рабочим ротором 2 радиально внутри газонаправляющего устройства 5.
Дополнительный ротор 3 имеет комплементарные геометрические параметры рабочего ротора 2, плотно обкатывая рабочий ротор 2 и разделяя пространство между рабочим ротором 2 и корпусом 1 на рабочую камеру а* с возрастающим объемом и рабочую камеру а с убывающим объемом. При этом дополнительный ротор 3 взаимодействует с рабочим ротором 2 так плотно, что рабочее тело может быть полностью вытеснено из рабочей камеры а с убывающим объемом.
Перегородка 24 рабочего ротора 2 плотно вставляется в приемный участок 32 дополнительного ротора 3, который смещен радиально внутрь позади от цилиндрической или частично-цилиндрической рабочей поверхности 30 дополнительного ротора 3. Дополнительный ротор преимущественно соединяется с рабочим ротором 2 через зубчатую передачу, таким образом скорости вращения рабочего ротора 2 и вспомогательного ротора 3 настроены друг под друга. Возможны и другие механизмы синхронизации (например, зубчатый ремень, главный вертикальный вал и т.д.). Предпочтительно, чтобы механизм синхронизации располагался внутри корпуса 1.
Канал 4 может переправлять рабочее тело из одной или нескольких рабочих камер а в одну или несколько других рабочих камер а*. Движение в канале может течь только в одном направлении, а именно от камеры сжатия а в камеру расширения а*. К тому же, со стороны впускного и выпускного окна канал 4 закрывается таким образом, что в определенный момент канал 4 может соответственно контактировать только с одной рабочей камерой а/а*, либо рабочее тело может временно быть заперто в канале 4. В частности, со стороны впускного окна канал 4 может контактировать с камерой сжатия а только в определенном диапазоне угла вращения рабочего ротора 2, а со стороны выпускного окна с камерой расширения а* только в отличном от него диапазоне угла вращения рабочего ротора 2. Во избежание непреднамеренного избыточного перетекания рабочего тела будет лучше, если канал 4 со стороны впускного окна будет открываться только в камеру сжатия а, а со стороны выпускного окна - только в камеру расширения а*, таким образом рабочее тело сможет поступать в канал 4 только из камеры сжатия а, а из канала 4 - только в камеру расширения а*. Для этой цели канал 4 имеет различные участки канала 41, 42, 43, 44, 45, из которых по меньшей мере два участка канала 41, 42 или 44, 45 одновременно выравниваются друг с другом, чтобы взаимно контактировать. При этом некоторые участки канала 41, 45 вращаются, в то время как другие участки канала 42, 44 установлены неподвижно относительно корпуса 1.
В первом примере исполнения канал 4 выполнен частично в боковинах 22, 23 рабочего ротора 2, и со стороны впускного окна направлен по касательной к окружности рабочего ротора 2 от конца камеры сжатия а, находящейся позади от направления вращения рабочего ротора 2.
Если смотреть в направлении вращения рабочего ротора 2, то первый участок канала 41, который начинается от горловины со стороны впускного окна с существенно сужающимся профилем, проходит спирально с сокращающимся радиусом в осевом и радиальном направлении и уходит в боковины 22, 23. Горловина канала 4 со стороны впускного окна, образованная первым участком канала 41, хорошо видна на Фиг. 10 и 11. Угол, описываемый осью канала 4 по касательной к окружности рабочего ротора 2 в зоне горловины со стороны впускного окна, предпочтительно должен быть не более 15°. Он замеряется по направлению или против направления вращения рабочего ротора 2.
Второй участок канала 42, который идет через газонаправляющее устройство 5, выравнивается в регулируемом диапазоне угла вращения рабочего ротора 2: с одной стороны - с первым участком канала 41 рабочего ротора 2, с другой стороны - с камерой сгорания 43, которая образует третий участок канала 43. Таким образом рабочее тело перемещается из камеры сжатия а в камеру сгорания 43.
Канал 4 ведет по второму участку канала 42 в камеру сгорания 43, которая образует третий участок канала и открывается, отклоняясь к переднему концу камеры расширения а*, где сгораемое рабочее тело расширяется.
Четвертый участок канала 44, который также проходит сквозь газонаправляющее устройство 5, с одной стороны выравнивается с камерой сгорания 43 в другом регулируемом диапазоне угла вращения рабочего ротора 2, а с другой стороны - с отверстием 45 камеры расширения а*, отводя рабочее тело из камеры сгорания 43 в камеру расширения а*. Диапазоны угла вращения можно установить или отрегулировать индивидуально или совместно.
Отверстие 45 рабочего ротора 2 образует пятый участок канала.
Участки канала 42, 44 по сути выполнены шлицеобразно и идут в направлении вдоль окружности через рабочую поверхность 50 газонаправляющего устройства 5. При этом первый и второй участок канала 41, 42, а также четвертый и пятый участок канала 44, 45 образуют две группы участков канала 41, 42; 44, 45, которые в данном случае удалены друг от друга хотя бы в направлении вдоль окружности, контактируя друг с другом только в разных диапазонах угла вращения рабочего ротора 2.
Со стороны выпускного окна канал 4 выходит по сути по касательной к окружности рабочего ротора 2 в камеру расширения а*, таким образом энергия практически не теряется из-за смены направления потока рабочего тела. Угол, описываемый осью канала 4 по касательной к окружности рабочего ротора 2 в зоне горловины со стороны впускного окна, составляет, например, 15°. Со стороны выпускного окна канал 4 на переднем конце выходит в направлении вдоль окружности и изнутри в радиальном направлении в камеру расширения а*, отводя энергию от расширения рабочего тела без какой-либо смены направления потока в направлении вращения рабочего ротора 2.
Со стороны выпускного окна профиль канала 4 отклоняется в направлении потока, таким образом рабочее тело продолжает уплотняться перед камерой сгорания 43 и уже может расширяться после камеры сгорания. Отверстие 45, образующее горловину канала со стороны выпускного окна, проходит через всю ширину либо всю осевую длину камеры расширения а*. Его размер в несколько раз больше, чем размер горловины канала 4 со стороны впускного окна, таким образом рабочее тело может выводиться в камеру расширения а* максимально быстро и без потерь энергии.
За счет того, что горловины канала 4 со стороны впускного окна и со стороны выпускного окна не накладываются друг на друга вдоль окружности рабочего ротора 2 и удалены друг от друга не менее, чем на 20°, обратный поток рабочего тела из камеры расширения а* в камеру сжатия а непрерывно пресекается.
Рабочее тело зажигается в камере сгорания 43 запальником 6, который расположен неподвижно по отношению к корпусу 1 и может взаимодействовать с камерой сгорания 43, например, через шлицеобразные закрывающиеся отверстия.
Фиг. 1 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по первому варианту первого примера исполнения изобретения в первом рабочем цикле, поясняя процесс сжатия и наполнение камеры сгорания 43. В выбранной схеме рабочий ротор 2 крутится по часовой стрелке, а дополнительный ротор 3 - против часовой стрелки. Направление вращения роторов показано также стрелками на следующих чертежах. На Фиг. 1 перегородка 24 приближается к положению 9-часовой стрелки часов по отношению к оси рабочего ротора 2, а дополнительный ротор -приближается к положению 12-часовой стрелки часов. Дополнительный ротор 3 делит пространство между корпусом 1 и рабочим ротором 2 на камеру сжатия а, объем которой сокращается при вращении рабочего ротора 2, и камеру расширения а*, объем которой увеличивается при вращении рабочего ротора 2. В показанном состоянии первый участок канала (41, срав. Фиг. 2) контактирует со вторым участком канала 42 и камерой сгорания 43, таким образом, уплотненное в камере сжатия а рабочее тело направляется через канал 4 в камеру сгорания 43. В показанном положении вращения канал 4 закрывается и таким образом перекрывается со стороны выпускного окна или со стороны камеры расширения а*, следовательно, уплотненное рабочее тело не может выйти из камеры сгорания 43.
Фиг. 2 демонстрирует схематический фронтальный вид деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1 в первом рабочем цикле. Стрелки наглядно показывают направление потока сжатого рабочего тела из камеры сжатия а в камеру сгорания 43.
Фиг. 3 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1 во втором рабочем цикле, объясняя процесс расширения и выход рабочего тела из камеры сгорания 43. В показанном состоянии камера сгорания 43 взаимодействует с четвертым участком канала 44 и отверстием 45 (срав. Фиг. 4), выводя сгоревшее в камере сгорания 43 рабочее тело по каналу 4 в камеру расширения а*. В показанном положении вращения канал 4 закрыт и соответственно перекрыт со стороны впускного окна либо на стороне камеры сжатия а, то есть сгораемое рабочее тело не может направиться в камеру сжатия а.
Фиг. 4 демонстрирует схематический вид сзади деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1 во втором рабочем цикле. Стрелки наглядно показывают направление движения сжатого рабочего тела из камеры сгорания 43 в камеру расширения а*.
Фиг. 5 демонстрирует схематическое трехмерное представление деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 1.
Фиг. 6 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по второму варианту первого примера исполнения изобретения в первом рабочем цикле, поясняя процесс уплотнения и наполнение камеры сгорания 43.
В отличие от первого варианта первого примера исполнения, в этом втором варианте рабочий ротор 2 имеет две перегородки 24, а дополнительный ротор 3 - два приемных участка 32. Кроме того, в этом втором варианте оболочка 26 покрывает половину окружности рабочего ротора 2 между двумя перегородками 24, при этом в осевом направлении между оболочкой 26 и каждой боковиной 22, 23 через всю половину окружности рабочего ротора 2 проходит шлицеобразное отверстие 41. Шлицеобразные отверстия 41 вместе образуют первый участок канала 41. Отверстие 45, образующее пятый участок канала 45, проходит через другую половину окружности рабочего ротора 2 по всей осевой длине рабочего ротора 2 между боковинами 22, 23, не накладываясь на отверстия 41 в осевом направлении. На этой половине окружности рабочего ротора 2 внутренние стороны боковин 22, 23 имеют меньшее осевое расстояние, чем на другой половине окружности. За счет этого рабочий ротор 2 и дополнительный ротор 3 смонтированы несимметрично и работают по эксцентриковому принципу. Центр тяжести может быть снова направлен через отверстия для балансировки на ось рабочего ротора 2, при этом одновременно можно достичь уменьшения массы. Второй участок канала 42 и четвертый участок канала 44, как и в первом варианте, сформированы в участке газонаправляющего устройства 5 так, что могут взаимодействовать в регулируемом диапазоне угла вращения с первым участком канала 41 либо в другом регулируемом диапазоне угла вращения с пятым участком канала 45. Дополнительный ротор 3 в этом варианте также имеет комплементарные геометрические характеристики, чтобы плотно обкатываться вокруг рабочего ротора 2. В выбранной схеме рабочий ротор 2 снова крутится по часовой стрелке, а дополнительный ротор 3 - против часовой стрелки. На Фиг. 6 перегородки 24 приближаются к положению 9-часовой стрелки часов и 15-часовой стрелки по отношению к оси рабочего ротора 2, а дополнительный ротор - приближается к положению 12-часовой стрелки часов. Дополнительный ротор 3 делит пространство между корпусом 1 и рабочим ротором 2 на камеру сжатия а и камеру расширения а*, при этом между перегородками 24 на стороне рабочего ротора 2, отклоняющейся от дополнительного ротора 3, формируется дополнительная рабочая камера b. В показанном состоянии первый участок канала (41, срав. Фиг. 7) контактирует со вторым участком канала 42 и камерой сгорания 43, таким образом, уплотненное в камере сжатия а рабочее тело поступает по каналу 4 в камеру сгорания 43.
В показанном положении вращения канал 4 закрыт и соответственно перекрыт со стороны выпускного окна или на стороне камеры расширения а*, т.е. уплотненное рабочее тело не может просочиться из камеры сгорания 43.
Фиг. 7 демонстрирует схематический фронтальный вид деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 6 в первом рабочем цикле.
Фиг. 8 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 6 во втором рабочем цикле, поясняя процесс расширения и выход рабочего тела из камеры сгорания 43. В показанном состоянии камера сгорания 43 взаимодействует с четвертым участком канала 44 и отверстием 45 (срав. Фиг. 9), таким образом, сгораемое в камере сгорания 43 рабочее тело выводится по каналу 4 в камеру расширения а*. В показанном положении вращения канал 4 закрыт и соответственно перекрыт со стороны впускного окна либо на стороне камеры сжатия а, так что сгоревшее рабочее тело не может проникнуть в камеру сжатия а.
Фиг. 9 демонстрирует схематический вид сзади деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 6 во втором рабочем цикле.
Фиг. 10 демонстрирует перспективное трехмерное представление деталей роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения. Как и во втором варианте, в этом третьем варианте рабочий ротор 2 имеет две перегородки 24. Два дополнительных ротора 2 со своей стороны каждый имеют по приемному участку 32.
Оба дополнительных ротора 3 имеют комплементарные геометрические характеристики, чтобы плотно прилегать к рабочему ротору 2, и соединяются с рабочим ротором 2, например, через зубчатую передачу (не показано), при этом оси рабочего ротора 2 и дополнительных роторов 3 находятся в одной плоскости. За счет всего этого образуется четыре рабочих камеры а/а*, b/b* либо две камеры сжатия a, b и две камеры расширения a*, b*. В отличие от обоих предыдущих вариантов, рабочий ротор 2 имеет 2 углубления-выемки для формирования двух идентичных камер сгорания 43, которые смещены в положении вдоль окружности на 180°. Роторно-поршневой двигатель по третьему варианту имеет два отдельных канала 4, чтобы состыковывать каждую камеру сжатия a, b с соответствующей камерой расширения a*, b*. Для этого сформированные в рабочем роторе 2 участки канала 41, 43, 45 удваиваются по сравнению с первым вариантом и располагаются со смещением друг к другу на 180°. Отверстие 45, образующее пятый участок канала 45, проходит через всю осевую длину рабочего ротора 2 между боковинами 22, 23 и между каждой из двух перегородок 24, не накладываясь на отверстия 41 в осевом направлении.
В отличие от второго варианта, внутренние стороны боковин 22, 23 в обеих половинах окружности рабочего ротора 2 расположены на одинаковом расстоянии. Отверстия 41, как и в первом варианте, сформированы в боковинах 22, 23 и образуют первый участок канала 41. Второй участок канала 42 и четвертый участок канала 44, как в обоих предыдущих вариантах, сформированы в участке газонаправляющего устройства 5 так, что могут контактировать в регулируемом диапазоне угла вращения с первым участком 41 каждого канала 4, а в другом регулируемом диапазоне угла вращения - с пятым участком 45 каждого канала 4. При этом участок газонаправляющего устройства 5 выполнен таким образом, чтобы рабочее тело при обороте рабочего ротора 2 переходило из одной рабочей камеры в другую рабочую камеру только один раз, таким образом при одном обороте рабочего ротора 2 всего выполняется четыре различных рабочих такта. Четыре рабочие камеры а/а*, b/b* образуют при этом камеру всасывания b*, камеры сжатия а, камеру расширения а* и камеру выпуска b.
Фиг. 11 демонстрирует схематический профиль деталей роторно-поршневого двигателя по Фиг. 10 в рабочем цикле, поясняя процесс уплотнения и процесс расширения, которые выполняются одновременно. В выбранной схеме рабочий ротор 2 крутится по часовой стрелке, а дополнительные роторы 3 - против часовой стрелки. В выбранной схеме рабочий ротор 2 снова крутится по часовой стрелке, а дополнительный ротор 3 - против часовой стрелки. На Фиг. 11 перегородки 24 приближаются к положению 9-часовой стрелки часов и 15-часовой стрелки по отношению к оси рабочего ротора 2, а дополнительные роторы приближаются к положению 12-часовой стрелки часов и 18-часовой стрелки. Дополнительные роторы 3 делят оба пространства между корпусом 1 и рабочим ротором 2 соответственно на две камеры а/а*, b/b*. На стороне 9-часовой стрелки часов рабочего ротора 2 (срав. Фиг. 12) первый участок канала 4 (41, срав. Фиг. 7) контактирует со вторым участком 42 и камерой сгорания 43 того же канала 4, таким образом уплотненное в камере сжатия а рабочее тело поступает по каналу 4 в камеру сгорания 43. В показанном положении вращения этот канал 4 закрыт и перекрыт со стороны выпускного окна либо на стороне камеры расширения b*, так что уплотненное рабочее тело не может выйти из камеры сгорания 43.
На стороне 15-часовой стрелки рабочего ротора 2 (см. Фиг. 13) другая камера сгорания 43 другого канала 4 одновременно контактирует с четвертым участком канала 44 и отверстием 45 другого канала 4, так что сгораемое в камере сгорания 43 рабочее тело выводится по каналу 4 в камеру расширения а*. В показанном положении вращения этот другой канал 4 закрыт и перекрыт со стороны впускного окна либо на стороне камеры сжатия b, так что сгораемое рабочее тело не может проникнуть в камеру сжатия b.
Фиг а-l демонстрируют схематические виды деталей роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения в различных рабочих циклах, подробнее освещая рабочие такты роторно-поршневого двигателя.
Фиг. 14а демонстрирует, как рабочее тело поступает через впускное окно 11 в камеры всасывания b*, при этом камера всасывания b* наполняется при последующем вращении рабочего ротора 2 (срав. Фиг. 14b-с). Рабочее тело обозначается заштрихованной областью.
При выполняемом вращении рабочего ротора 2 перегородка 24 А проходит через приемный участок 32 дополнительного ротора 3, при этом рабочая камера а* с рабочим телом сокращает свой объем и обозначается как камера сжатия а*.
При следующем вращении рабочего ротора 2 рабочее тело в камере сжатия а* уплотняется по нарастающей, и, как только перегородка 24 В достигнет первого заданного положения угла вращения α1 (срав. Фиг. 14d), поступает через открывающийся со стороны впускного окна канал 4 описанным выше образом в камеру сгорания 43. Как только перегородка 24 В достигнет второго заданного положения угла вращения α2 (срав. Фиг. 14f), канал 4 со стороны впускного окна закрывается и запирает рабочее тело в камере сгорания 43.
На показанном на Фиг. 14g положении вращения рабочее тело зажигается в камере сгорания 43 запальником 6.
Когда перегородка 24 В достигает третье заданное положение угла вращения α3 (срав. Фиг. 14h), то открывается канал 4 со стороны выпускного окна, чтобы вывести сгоревшее и сжатое рабочее тело по касательной к окружности рабочего ротора 2 в камеру расширения а*. Энергия от расширения рабочего тела толкает перегородку 24 В и соответственно рабочий ротор 2 в направлении вращения.
Только когда перегородка 24 В перешагнет через четвертое заданное положение угла вращения α4 (срав. Фиг. 14i), рабочее тело может выходить из выпускного окна 12.
При следующем вращении рабочего ротора 2 перегородка 24 В проходит через приемный участок 32 второго дополнительного ротора 3, при этом рабочая камера а* с рабочим телом снова сокращает свой объем и обозначается как камера выпуска b.
Рабочее тело выталкивается из камеры выпуска b (срав. Фиг. 14j-l). Затем циркуляция может начаться заново в зависимости от состояния согласно Фиг. 14а.
Фиг. 15а-с демонстрируют различные схематические виды для объяснения возможности смещения участка газонаправляющего устройства 5 относительно корпуса 1 роторно-поршневого двигателя по третьему варианту первого примера исполнения изобретения. Фиг. 15а демонстрирует схематический профиль роторно-поршневого двигателя в соответствии с Фиг. 14а-l, при этом показывается, что путем поворота участка газонаправляющего устройства 5 относительно корпуса 1 роторно-поршневого двигателя вокруг оси рабочего ротора 2 можно совместно переставлять диапазон угла вращения α1-α2, в котором канал 4 со стороны впускного окна стыкуется с камерой сжатия а, и диапазон угла вращения α3-α4, в котором канал 4 со стороны выпускного окна стыкуется с камерой расширения а*. Так углы вращения α1, α2, α3, α4 можно изменять путем поворота газонаправляющего участка 5 относительно корпуса 1 в направлении и против направления вращения рабочего ротора 2 на угол Δα (между первыми предельными значениями α11, α21, α31, α41и вторыми предельными значениями α12, α22, α32, α42.
Как видно на Фиг. 15b-с, в результате поворота газонаправляющего участка 5 относительно корпуса 1 в направлении вращения рабочего ротора 2, среди прочего второй участок канала 44 перемещается из первого положения (Фиг. 15b) на угол Δα: в направлении вращения рабочего ротора 2 во второе положение (Фиг. 15с), таким образом позже открывается канал 4 со стороны выпускного окна, и сгоревшее рабочее тело выводится в камеру расширения а*. Путем варьирования диапазонов угла вращения α1-α2 и α3-α4 можно оптимизировать КПД роторно-поршневого двигателя на различные расчетные нагрузки и скоростные диапазоны. Предпочтительнее выполнять поворот газонаправляющего участка 5 относительно корпуса 1 с помощью блока управления и/или регулировочного устройства в зависимости от различных рабочих параметров роторно-поршневого двигателя, например, частоты вращения или крутящего момента рабочего ротора 2.
Второй пример исполнения
Решающее отличие второго примера исполнения от первого примера исполнения состоит в том, что камера сгорания 43 неподвижно установлена по отношению к корпусу 1, а рабочий ротор 2 вращается вокруг камеры сгорания 43. При этом рабочий ротор 2 сконструирован в форме полого цилиндра, причем сжатое рабочее тело поступает для зажигания в камеру сгорания 43 радиально внутрь через рабочий ротор 2. Камера сгорания 43 размещается в газонаправляющем устройстве 5, которое установлено с возможностью перемещения относительно корпуса 1.
Фиг. 17a-d демонстрируют различные перспективные виды деталей роторно-поршневого двигателя по первому варианту второго примера исполнения изобретения, основанному на первом варианте первого примера исполнения. Принцип действия этого варианта по сути идентичен принципу действия первого варианта первого примера исполнения, за исключением того, что камера сгорания 43 размещена неподвижно по отношению к корпусу 1. В схематических видах хорошо видно, что путь сквозь канал 4 между горловиной канала 4 со стороны впускного окна и со стороны выпускного окна короче, чем длина дуги над осью рабочего ротора 2 между горловиной канала 4 со стороны впускного окна и со стороны выпускного окна, то есть канал 4 сокращает путь рабочего тела.
Фиг. 18a-f демонстрируют различные виды деталей роторно-поршневого двигателя по второму варианту второго примера исполнения изобретения, основанному на втором варианте первого примера исполнения. В этом варианте рабочие камеры имеют другие профили сечения, при этом рабочая камера с более крупным профилем сечения образует камеру сжатия. Рабочий ротор 2 в принципе сконструирован идентично ротору во втором варианте первого примера исполнения и вращается вокруг газонаправляющего устройства 5. В показанном на Фиг. 18а положении вращения канал 4 со стороны впускного окна может взаимодействовать через первый участок канала 41 и второй участок канала 42 с камерой сжатия. Иначе, чем во втором варианте первого примера исполнения, второй участок канала 42 не имеет шлицеобразную форму, а содержит два кругообразных отверстия, уходящих от рабочей поверхности 50 в газонаправляющее устройство 5. На Фиг. 18b видно, как канал 4 со стороны выпускного окна может контактировать через четвертый участок канала 44 и пятый участок канала 45 с камерой расширения. Форма четвертого участка канала 44 немного отличается от второго варианта первого примера исполнения. Однако процесс уплотнения и расширения происходят аналогично первому примеру исполнения.
Фиг. 18c-f в основном соответствуют в своих представлениях Фиг. 6-9.
Фиг. 19 демонстрирует перспективное представление деталей роторно-поршневого двигателя по третьему варианту второго примера исполнения изобретения, основанного на третьем варианте первого примера исполнения. При этом роторно-поршневой двигатель имеет рабочий ротор 2 и два дополнительных ротора 3 с двумя приемными участками 32.
Основной принцип действия идентичен первому примеру исполнения.
Фиг. 20a-j демонстрируют различные виды деталей роторно-поршневого двигателя по четвертому варианту второго примера исполнения изобретения, основанному на третьем варианте первого примера исполнения. На Фиг. 20a, 20k и 20l показаны в трехмерном виде детали роторно-поршневого двигателя, то есть особенно хорошо видны конструкция и взаимодействие этих деталей. Особенность этого варианта состоит в том, что рабочие камеры удалены друг от друга в осевом направлении рабочего ротора 2 и не накладываются друг на друга в направлении вдоль окружности рабочего ротора 2. Кроме того, рабочие камеры слегка смещены в радиальном направлении, так что рабочее тело может поступать в осевом направлении из камеры сжатия в горловину канала 4 со стороны впускного окна. Вспомогательные роторы 3 имеют комплементарные геометрические параметры, чтобы плотно прилегать к рабочему ротору 2. Приемные участки 32 проходят при этом по меньшей мере по половине длины окружности рабочих роторов 3. На этой схеме хорошо видно, что рабочий ротор 2 и дополнительные роторы 3 могут иметь полости с точно определенными размерами между ребровидными структурами для жесткости, снижения массы и балансировки. Фиг. 20b демонстрирует детали из Фиг. 20а в монтированном состоянии. Фиг. 20с схематично наглядно представляет принцип поступления рабочего тела из камеры сжатия в канал 4 в осевом направлении через горловину со стороны впускного окна. Фиг. 20d-j демонстрируют разные перспективные представления деталей этого роторно-поршневого двигателя. Фиг. 20d - это трехмерное перспективное представление рабочего ротора 2 и газонаправляющего устройства 5. По этому варианту газонаправляющее устройство 5 имеет два поворачиваемых друг от друга вдоль окружности рабочего ротора 2 газонаправляющих участка 51, 52, которые содержат по меньшей мере по одному участку 42, 44 канала 4. Участки 42, 44 канала 4 контактируют друг с другом через камеру сгорания 43, в то время как газонаправляющие участки 51, 52 можно переставить. За счет этого можно изменить положение угла вращения рабочего ротора 2 по отношению к корпусу 1, при котором канал 4 может состыковаться с рабочей камерой со стороны впускного окна. Первый участок газонаправляющего устройства 51 выполнен в форме полого цилиндра и включает в себя третий участок канала (камеру сгорания) 43, а также четвертый участок канала 44, при этом третий участок канала (камера сгорания) открывается со стороны впускного окна в осевом направлении к стороне камеры сжатия. Второй участок газонаправляющего устройства 52 выполнен в форме круглого диска и включает в себя второй участок канала 42, который сформирован как дугообразная прорезь на кромке окружности дискообразного тела. Второй участок газонаправляющего устройства 52 поворачивается от первого участка газонаправляющего устройства 51 вдоль окружности рабочего ротора 2 таким образом, что соответствующие участки канала 42, 43,44 могут постоянно состыковываться, как наглядно представляется на Фиг. 20e-g.
Фиг. 20h демонстрирует перспективное представление симметричного расположения двух узлов по третьему варианту, при этом рабочий ротор 2 и два дополнительных ротора 3 преимущественно установлены на совместных валах 20, 30 и настроены таким образом, чтобы эти узлы одновременно выполняли разные рабочие такты. За счет этого достигается особенно высокая плавность хода роторно-поршневого двигателя 1. Фиг. 20i-j демонстрируют различные перспективные представления деталей этого роторно-поршневого двигателя 1 с частично открытым корпусом 1. Здесь хорошо видна плоскость разъема 15 и закругления 13, 14 корпуса 1, а также ребровидные структуры на внешней стенке корпуса 1, которые содействуют охлаждению роторно-поршневого двигателя 1. Для обоих модулей конструкции, каждый из которых имеет рабочий ротор 2 и два дополнительных ротора 3, а также газонаправляющее устройство 5, предусмотрено две симметричные части корпуса, которые скрепляются в плоскости разъема 15 крепежными средствами. Газонаправляющие устройства 5 также имеют возможность вращения в точке соединения с корпусом 1. Таким образом имеются различные варианты установки.
Фиг. 21а-е демонстрируют разные перспективные представления деталей роторно-поршневого двигателя по пятому варианту второго примера исполнения изобретения, основанному на третьем варианте первого примера исполнения. Особенность этого варианта заключается в том, что роторно-поршневой двигатель имеет дожимной компрессор 7, который дополнительно уплотняет рабочее тело после выхода из камеры сжатия а и до поступления в камеру расширения а* механическим и/или пневматическим и/или гидравлическим способом. Кроме того, дожимной компрессор 7 содержит, например, поршневой компрессор с камерой сжатия 70 на конце поршня 71, который запускается на валу отбора мощности 20 с помощью кулачка 72, выполняя линейное движение, при этом кулачок 72 крутится с той же угловой скоростью, что и рабочий ротор 2. Дожимной компрессор 7 размещен радиально и по оси внутри газонаправляющего устройства 5 и уплотняет рабочее тело непосредственно внутри камеры сжатия 70. В этом примере исполнения канал 4 направляет рабочее тело исключительно через дожимной компрессор 7, так что все рабочее тело дополнительно уплотняется в дожимном компрессоре между камерой сжатия а и камерой расширения а*. При необходимости, дополнительно уплотненное рабочее тело сгорает еще в канале 4, например, внутри дожимного компрессора 7, и выводится через канал 4 со стороны выпускного окна в камеру расширения а*. Канал 4 со стороны впускного и выпускного окна может взаимодействовать с камерой сжатия а или с камерой расширения а*, как описано в первом примере исполнения. В этом варианте преимущества поршневого и роторно-поршневого принципа работы идеально совмещаются, потому что рабочее тело может быть до предела уплотнено в дожимном компрессоре, а энергия от расширения рабочего тела непосредственно переводится во вращательное движение рабочего ротора 2.
Еще одна особенность этого варианта заключается в том, что рабочий ротор 2 имеет уплотнительные пластины 27, натянутые посредством пружины в радиальном направлении наружу для уплотнения каждой перегородки 24 рабочего ротора 2 при сопряжении с дополнительными роторами 3, при этом уплотнение 27 рабочего ротора 2 защищено кинематическим замыканием.
Фиг. 22а-b демонстрируют разные перспективные представления деталей роторно-поршневого двигателя по шестому варианту второго примера исполнения изобретения, основанному на четвертом и пятом варианте второго примера исполнения. В этом варианте дожимной компрессор 7 содержит поршневой компрессор с двумя камерами сжатия 70 на противоположных концах поршня 71, который приводится в движение посредством кулачка 72 на валу отбора мощности 20, выполняя линейное движение. При этом рабочее тело, поступающее по различным каналам 4 в камеру сжатия 70, попеременно уплотняется в камерах сжатия 70, при этом уплотнение в дожимном компрессоре согласовано с рабочими тактами роторно-поршневого двигателя. На Фиг. 22а поршень 71 находится в верхней мертвой точке, а на Фиг. 22b - в нижней мертвой точке.
Наконец, Фиг. 23а-с демонстрируют разные схематические виды по сечению роторно-поршневых двигателей с разными конструкциями газонаправляющих устройств 5, причем газонаправляющее устройство 5 на Фиг. 23а установлено неподвижно внутри корпуса 1, на Фиг. 23b - установлено неподвижно снаружи корпуса 1, а на Фиг. 23с - образует часть корпуса 1.
Резюмируя вышесказанное, роторно-поршневой двигатель в конструкции согласно изобретению имеет следующие преимущества:
- сокращение путей газоподачи и улучшение перехода рабочего тела с учетом газовой динамики (скорость потока и сопротивление), в частности при высокой скорости вращения;
- предотвращение наличия в камере сжатия продуктов сгорания и возможность промывания камеры зажигания и камеры сгорания для более эффективного горения;
- сокращение тепла, образующегося при трении крутящихся в корпусе деталей, и сопротивления трения, а также вызванных таким теплом деформационных проблем;
- улучшение масляной смазки с учетом высокой скорости вращения и предотвращение нежелательного загрязнения камеры сжатия и камеры расширения маслом;
- улучшение газонепроницаемого уплотнения камеры сжатия и камеры расширения для более высокого выхода мощности с учетом обусловленной конструкцией газоподачи и перехода рабочего тела, а также возможной деформации материала;
- улучшение удельной массы и КПД, а также повышенная гибкость и модульность двигателя с точки зрения использования различных типов топлива и различных сфер применения.
Изобретение не ограничивается описанными примерами исполнения и вариантами. Признаки отдельных примеров исполнения и вариантов можно изменять произвольно, при этом могут возникнуть другие выгодные модификации в результате произвольной комбинации выявленных признаков.
Ссылочные обозначения
1 Корпус
2 Рабочий ротор
2а Внутренний участок
2b Внешний участок
3 Дополнительный ротор
4 Канал
5 Газонаправляющее устройство
6 Запальник
7 Дожимной компрессор
11 Впускное окно
12 Выпускное окно
13 Закругление корпуса
14 Закругление корпуса
15 Плоскость разъема корпуса
20 Вал отбора мощности
21 Рабочая поверхность
22 Первая боковина
23 Вторая боковина
24 Перегородка
25 Приемное отверстие
26 Оболочка
27 Уплотнение
30 Промежуточный вал
31 Рабочая поверхность
32 Приемный участок
41 Первый участок канала (отверстие со стороны впускного окна)
42 Второй участок канала (отверстие со стороны впускного окна)
43 Третий участок канала (камера сгорания)
44 Четвертый участок канала (отверстие со стороны выпускного окна)
45 Пятый участок канала (отверстие со стороны выпускного окна)
50 Рабочая поверхность
51 Первый газонаправляющий участок
52 Второй газонаправляющий участок
70 Камера сжатия
71 Поршень
72 Кулачок
α1 Первый угол вращения
α2 Второй угол вращения
α3 Третий угол вращения
α4 Четвертый угол вращения