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

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Известны звездообразные двигатели, у которых цилиндры с поршнями расположены в форме звезды и поршневые штоки приводят в движение коленчатый вал. Особой формой звездообразного двигателя является роторно-поршневой двигатель, у которого коленчатый вал стоит неподвижно, а цилиндры с поршнями вращаются.
Далее известны роторно-поршневые двигатели, как, например, двигатель Ванкеля, у которого в эллипсоидном корпусе с эпитрохоидными камерами вращается ротор, который следует за эллипсоидной формой. При перемещении ротора происходит изменение объема отдельных камер, в одном обороте ротора осуществляется четыре такта двигателя при неоптимальном сегментировании. Эллипсоидная форма создает различие в объемах камер, и таким образом осуществляются четыре рабочих цикла. Этим двигателям, как и остальным двигателям с поршнями, присуще то, что сгорание в цилиндре движет поршень и благодаря этому создается движущая сила.
Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, который при простой конструкции и тихой работе имеет высокий коэффициент полезного действия. Также задачей изобретения является исключение эллипсоидной формы с целью максимального уплотнения камер, сведение вибрации до минимума и упрощение конструкции.
Согласно изобретению эта задача решается с помощью отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Новым при этом среди прочего является то, что сгорание воздушно-газовой смеси больше не происходит в цилиндрах и, следовательно, поршни больше не служат напрямую приводу, цилиндры с поршнями обеспечивают дополнительную камеру сгорания сжатой воздушно-газовой смесью. Газ, выходящий после зажигания из камеры сгорания, расположенной вне ротора, приводит ротор в движение.
Благодаря разделению сжатия и сгорания повышается коэффициент полезного действия, уменьшается вибрация и снижается износ. Сжатие и сгорание в разделенных областях машины могут быть оптимизированы.
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что он имеет меньшие габариты, легче по весу, но имеет высокую мощность и несмотря на это экономичен, он предлагает широкий спектр регулировки мощности двигателя, имеет низкий расход топлива, при этом может использоваться топливо с высокой точкой температуры воспламенения, например, водород.
Другие полезные варианты исполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению роторно-поршневой двигатель имеет круговую форму ротора и имеет смещенную от центра С ось. Это исключает сложное эллипсоидное движение и обеспечивает хорошее уплотнение отдельных рабочих камер.
max
min
Осуществление всасывания, сжатия и зажигания воздушно-топливной смеси и выброс выхлопных газов достигается благодаря различию в удалении смещенной от центра (С) ротора в центр В оси поршневой группы до периферии ротора. В секторе максимального радиуса (r ) осуществляется всасывание, в секторе с минимальным радиусом (r ) осуществляется зажигание воздушно-топливной смеси и выброс выхлопных газов, и все это происходит при одном обороте ротора. Сила, возникающая в результате зажигания, направлена тангенциально к направлению вращения ротора, которое предопределено камерой сгорания, поршневой группой и смещенным центром (В).
Полезные примеры исполнения изобретения представлены на чертежах и далее описаны более подробно:
фигура 1 - поперечное сечение роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания,
фигура 2 - разрез по D-D на фигуре 1 - один из вариантов установки поршневой группы,
фигура 3 - разрез по F-F на фигуре 1,
фигура 4 - разрез по Е-Е на фигуре 1,
фигура 5 - вид торца двигателя,
фигура 6 - вид сверху двигателя,
фигура 7 - изображение зубчатого зацепления между отдельными роторами корпусов (R1, R2, R3) в двигателе,
фигура 8 - схематическое изображение процесса всасывания воздушно-топливной смеси и регулируемого сектора (X), который определяет его начальный момент,
фигура 9 - схематическое изображение рабочего процесса и регулируемого сектора (Y), который определяет начальный момент выброса выхлопных газов,
фигура 10 - круговая диаграмма процессов всасывания (N), сжатия (М), работы (Н), выброса выхлопных газов (Е), образование вакуума (G),
фигура 11 - поперечное сечение роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с углом α у камеры сгорания (17).
Роторно-поршневой двигатель, состоящий из трех или большего количества расположенных параллельно друг другу, взаимодействующих, охлаждающихся жидкостью корпусов 1, имеет согласно фигурам 1-3 по одному корпусу 1, на котором установлены свечи зажигания 2, отверстие 3 для выхлопных газов и всасывающее отверстие 4.
В корпусе 1 установлен ротор 5 с двумя зубчатыми венцами 14. На этом роторе 5 по обеим сторонам каждой отдельной рабочей камеры 11 цилиндров 6 установлены сегменты 9, которые служат для их уплотнения. Части цилиндров 6, которые располагаются в роторе подвижно, с внешней стороны имеют сферическую форму, что обеспечивает функционирование шарового шарнира.
Цилиндры 6 подвижны в радиальном направлении и совершают орбитальные переходы, они скользят по оборудованным небольшими поршнями 13 (экспандеры) поршням 8, которые со своей стороны уплотнены сегментами 9. Поршни 8 установлены по оси подвижно независимо друг от друга, как это показано на фиг.2. Поршни 8/I и 8/III установлены в корпусе 1 и поршень 8/II установлен между и в поршнях 8/I и 8/III. Опора поршневой группы поршней 8/I+II+III от центра С ротора 5 в точку В (смещенный центр В пересекается осью 10). Поршни 8 неподвижны по оси относительно центра В и не совершают перехода на орбиту. С зубчатыми венцами 14 по обеим сторонам каждого ротора 5 соединяются зубчатые передачи 15а, и от концевых корпусов R1 и R3 исходят выходные валы 15. Движение исходит от периферии ротора 5, а не от его центра. Диаметром поршня 8, диаметром ротора 5 и смещенной от центра С ротора осью 10 определяются объемы рабочих камер 11 и мощность двигателя.
Верхняя мертвая точка каждого поршня достигается в области, где начинается выброс выхлопных газов (фиг.1). Прямая линия, которая проходит через центр С ротора и через смещенный центр В, точно показывает эту область. Камера сгорания 17 находится на угловом расстоянии 30°, точно от этой прямой линии перед отверстием для выхлопных газов. При зажигании воздушно-топливной смеси в камере сгорания 17 поршень 8 еще не полностью достигает верхней мертвой точки.
Подвижно установленные в роторе 5 цилиндры 6 действуют как выравнивающие рычаги (угловые компенсаторы), которые компенсируют кривые переходы к различным орбитальным положениям, которые определены смещенным центром В и круговой формой ротора 5. В рабочей камере 11 каждого цилиндра 6 конструктивно предусмотрен существенно меньший поршень 13, с помощью которого компенсируются различные моменты от нагрузки при различной заданной мощности до момента выброса выхлопных газов. Этот небольшой поршень не оказывает какого-либо влияния на индикаторное напряжение (давление), создающееся в рабочей камере 11. Движение передается тангенциально с помощью давления на ротор 5 в его направлении движения. Это направление движения задано конструкцией камеры сгорания 17 в корпусе (1) и поршневой группой, смещенной от центра С ротора 5, которая установлена в корпусе 1 фиг.2 (ось 10).
max.
С изменением положения смещенного центра В в другую точку (это может осуществляться с автоматическим управлением) изменяется ход цилиндра (рабочий объем), и вследствие этого может изменяться мощность двигателя во время своего рабочего процесса. Как можно видеть на фиг 1 и 9, расстояние от камеры сгорания 17 до отверстия 3 для выхлопных газов, которое обозначено дугой ℓ, может изменяться в секторе Y, чья регулировка влияет и определяет рабочий процесс (А=F·cosφ) и начальный момент выброса выхлопных газов. В секторе с радиусом (r) всасывающее отверстие 4 выполнено конструктивно таким образом, что с помощью выбираемого его позиционирования в секторе Х может изменяться начальный момент всасывания воздушно-топливной смеси.
А=F·cosφ
φ=ωt
F=φt
ℓ=rφ
A = работа
F = сила
ω = угловая скорость
φ = угол поворота
t = время
ℓ = дуга (путь) от камеры сгорания 17 до отверстия 3 для выхлопных газов
Z = передаточное число
При постоянном объеме рабочей камеры 11 во время процесса работы Н благодаря настоящему изобретению при существенно меньшем количестве топлива достигается желательное индикаторное давление, которое соответствует заданной силе F, воздействует при угле φ поворота в определенное время t.
Функционирование двигателя реализуется после включения стартера и вращения ротора 5. Вследствие конструктивного различия в удалении от периферии ротора 5 до смещенной от центра С оси 10 цилиндры 6 изменяют объем рабочих камер 11 и осуществляют в зависимости от их точек соприкосновения пять рабочих процессов (см. фиг.10) в одном обороте ротора 5. При процессе зажигания в положении поршня (8/I, см. фиг.1), рабочая камера 11 и камера сгорания 17 встречаются друг с другом в корпусе 1. В этот момент воздушно-топливная смесь максимально сжата в рабочей камере 11. При попадании в камеру сгорания 17 воздушно-топливная смесь сжимается в ней и тотчас воспламеняется. После зажигания возникшая сила F действует на дно поршня 8/I и соответственно на ротор 5. Вследствие этого сила F распределяется тангенциально к ротору 5 в его направлении движения, и это действие происходит до момента выброса выхлопных газов через регулируемое отверстие 3 для выхлопных газов. Рабочие камеры 11 в роторе расположены одна от другой на угловом расстоянии 120°. Благодаря этому за один оборот ротора 5 троекратно происходит процесс зажигания (при угловом расстоянии 120°). Этот процесс осуществляется отдельно в каждом из трех корпусов Rl, R2, R3 двигателя.
Как упоминалось вначале (см. фиг.6), весь комплектный двигатель состоит из трех или большего количества корпусов R1, R2, R3, которые соединены друг с другом с помощью зубчатой передачи 15а и работают синхронно. Поршневая группа поршней 8 каждого последующего корпуса 1 смещена по сравнению с предыдущим на определенный угол, который пропорционально соответствует числу корпусов 1 в двигателе. При трех корпусах 1 каждая последующая поршневая группа поршней 8 смещена в своем положении по сравнению с предыдущей на 40°. Комбинация различных размеров диаметра корпусов в двигателе позволяет достигать различных показателей мощности в отдельном роторе 5. Предложенная конструкция дает в зависимости от требований и ситуации возможность автоматически выбирать число корпусов, принимающих участие в работе двигателя. Благодаря этому достигается более низкий расход топлива. При потребности в более высокой мощности все корпуса R1, R2, R3 принимают участие в рабочем режиме двигателя.
max
min
В секторе максимального радиуса (r, см. фиг.8) через кольцевой поршень 16 происходит засасывание воздуха и в секторе минимального радиуса (r, см. фиг.9) сжатие воздуха. Через каналы в цилиндрах 6 и роторе 5 при определенных точках соприкосновения, при совпадении с такими же каналами в корпусе 1 воздух поступает к зонам, в которых он подвергается дополнительному охлаждению. Сжатый воздух охлаждает свечи зажигания 2 и камеру сгорания 17 в корпусе 1 и поддерживает выброс выхлопных газов. Расположенные радиально в цилиндрах 6 кольцевые поршни 16 образуют компрессор. При необходимости воздух может использоваться (применяться) для дополнительного сжатия воздушно-топливной смеси.
В состоянии покоя ротор имеет определенную конструктивную массу, которая в целом имеет меньшую величину, чем при вращении. Пространство внутренней стороны ротора 5 однократно заполняется маслом. При вращении возникают центробежные силы, которые распределяют масло по внутренней стенке ротора 5.
Ротор 5 имеет конструктивно заданную форму рельефа внутренней стенки. Она способствует распылению масла назад во внутреннее пространство двигателя. В результате этого возникает новая, большая величина массы двигателя при вращении. Это делает возможным более низкий расход энергии при запуске двигателя и более высокий момент количества движения при рабочем режиме двигателя.
Изобретение принадлежит к двигателям внутреннего сгорания роторно-поршневого типа и может применяться в автомобилестроении, самолетостроении, судостроении, для мотоциклов, генераторов, а также для привода различных передач и механизмов.
После пуска роторно-поршневого двигателя ротор 5 смещается в правое вращательное движение, при этом объем рабочей камеры 11 во время рабочего процесса (зажигание воздушно-топливной смеси в камере сгорания 17) остается постоянным. Поршень 8 в этот момент не совершает какого-либо обратного движения. Поршни служат только для того, чтобы воздушно-топливная смесь засасывалась в цилиндры 6 и чтобы в камере сгорания происходило сжатие и удаление выхлопных газов. Каждый отдельный поршень 8 установлен независимо один от другого. Вся поршневая группа вращается вокруг оси 10, которая смещена от центра С.
Зажигание воздушно-топливной смеси происходит вне рабочих камер 11, а именно в камере сгорания 17. В этот момент поршень 8, который сжал воздушно-топливную смесь в камере сгорания 17, образует угол 70° к ротору. Возникающая при детонации сила F распределяется прямо тангенциально через давление на ротор 5. Поршень 8 не совершает обратного движения в результате детонации, как это видно на фиг.1 и 3. Каждый отдельный поршень 8 имеет совсем небольшой поршень 13, который в первый момент воспринимает часть силы детонации и позволяет в результате этого уравновешивать (компенсировать) различную по силе детонацию при изменении положения отверстия для выхлопных газов 3 или всасывающего отверстия 4 или центра В. Он, таким образом, защищает камеру сгорания 17, а также корпус 1 от перегрузки.
Роторно-поршневой двигатель состоит из трех роторов 5 и трех поршневых групп поршней 8/I, 8/II, 8/III с принадлежащими цилиндрами 6, всего девять поршней 8. Каждый поршень 8 заданным образом конструктивно позиционируется относительно другого, что угол между ними составляет 40°. Это означает, что при пуске двигателя, зажигание осуществляется в интервале 40°. Это угловое расстояние при возможном исполнении двигателя с четырьмя роторами 5 соответственно этому уменьшается до 30°. (Например: при пяти роторах до 24°).
При более низком крутящем моменте двигателя достигаются высокие обороты на выходном валу 15, который непосредственно соединен с ротором на его периферии с помощью зубчатой передачи, и это без сложного исполнения, например, редуктора.
В заключение следует констатировать, что благодаря изобретению разработан роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, который по сравнению с двигателем Ванкеля не совершает эллипсоидного движения и имеет конструктивные преимущества. Оптимальное уплотнение рабочей камеры 11, более низкий расход энергии при запуске двигателя, более легкий по весу и развивающий большую мощность при работе, имеющий небольшие размеры двигатель отличается хорошим динамическим балансом, экономичностью, при необходимости автоматическим, направленным на получение пользы регулированием мощности двигателя, выбираемым в зависимости от ситуации расходом топлива, способностью работать на топливе с более высокой точкой детонации, например, водороде.