РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЕГО РАБОЧИЙ ЦИКЛ
ICE ROTARY ENGINE AND ITS OPERATING CYCLE

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.
Предшествующий уровень техники
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий корпус, вал, дисковый и кольцевой конструктивные узлы, размещенные в корпусе с возможностью взаимного вращения, причем дисковый конструктивный узел включает диск с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, между которыми расположены камеры сгорания, а кольцевой конструктивный узел содержит коаксиально расположенные трубчатые элементы соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещен кольцевой элемент с волнообразной поверхностью, образующей гребни и впадины, при этом волнообразная поверхность кольцевого элемента обращена к торцевой поверхности диска, совместно с которой и наружной поверхностью трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью трубчатого элемента большего диаметра образует компрессионные и конверсионные камеры, разделенные гребнями кольцевого элемента с волнообразной поверхностью, причем в гребнях кольцевого элемента с волнообразной поверхностью с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, US 5551853.
Недостатком ДВС является низкий коэффициент полезного действия (КПД). Это объясняется тем, что значительная часть воспламененной рабочей смеси выбрасывается в атмосферу через выпускной канал со стороны ротора, противоположной свече зажигания. Кроме того, устройству по патенту US 5551853 требуется минимум 6 лопастей для полного рабочего цикла двигателя, при этом при сжатии рабочей смеси используется только часть объема компрессионной камеры между двумя соседними лопастями. Это обусловливает невысокую степень сжатия рабочей смеси и, соответственно, также негативно влияет на КПД. Повышение степени сжатия рабочей смеси за счет дополнительных уплотнений в зонах контакта лопастей также не решает эту проблему, так как уплотнительные пружины лопастей расположены в зоне высоких температур и при нагревании теряют свои упругие свойства. Недостатком этого ДВС являются поочередные некомпенсированные осевые силовые воздействия на дисковый и кольцевой конструктивные узлы и вал, что приводит к значительным вибрационным нагрузкам на вал и другие конструктивные узлы ДВС.
Более простую конструкцию имеет ДВС по патенту RU 2307255, содержащий корпус, вал, стопорные механизмы, детали, образующие кольцевую область, при этом в одной из этих деталей выполнены пазы, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения и фиксации стопорными механизмами размещены и подпружинены посредством упругого элемента относительно упомянутой детали компрессионные и конверсионные лопасти, между которыми расположены камеры сгорания, а на другой детали размещены с возможностью контакта с компрессионными и конверсионными лопастями профилированные выступы, причем деталями, образующими кольцевую область, являются коаксиально расположенные трубчатые элементы соответственно большего и меньшего диаметров и кольцевые диски, при этом наружные поверхности профилированных выступов совместно с обращенными друг к другу поверхностями трубчатых элементов и кольцевых дисков образуют компрессионные и конверсионные камеры, разделенные профилированными выступами, причем с чередованием через один профилированный выступ для компрессионных и конверсионных камер выполнены соответственно впускные и выпускные каналы.
Данное техническое решение принято за прототип устройства в настоящем изобретении.
Недостатками прототипа являются сложная конструкция отдельных узлов и сложная конфигурация отдельных деталей. В частности, профилированные выступы имеют сложную конфигурацию и их изготовление является трудоемким. Стопорные механизмы прототипа являются отдельными конструктивными узлами, для согласованной работы которых с возвратно-поступательными движениями лопастей требуется сложная настройка и высокая точность изготовления соответствующих узлов и деталей. Не решены вопросы герметизации компрессионных и конверсионных камер, особенно с учетом теплового расширения лопастей.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции отдельных узлов ДВС в целом, конфигурации его отдельных деталей и герметизации компрессионных и конверсионных камер.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, вал, стопорные механизмы, детали, образующие кольцевую область, при этом в одной из этих деталей выполнены пазы, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения и фиксации стопорными механизмами размещены и подпружинены посредством упругого элемента относительно упомянутой детали компрессионные и конверсионные лопасти, между которыми расположены камеры сгорания, а на другой детали размещены с возможностью контакта с компрессионными и конверсионными лопастями профилированные выступы, причем деталями, образующими кольцевую область, являются коаксиально расположенные трубчатые элементы, соответственно большего и меньшего диаметров и кольцевые диски, при этом наружные поверхности профилированных выступов совместно с обращенными друг к другу поверхностями трубчатых элементов и кольцевых дисков образуют компрессионные и конверсионные камеры, разделенные профилированными выступами, причем с чередованием через один профилированный выступ для компрессионных и конверсионных камер выполнены соответственно впускные и выпускные каналы, новым является то, что пазы выполнены в радиальном направлении в одном трубчатом элементе, а профилированные выступы размещены на другом трубчатом элементе, а также тем, что каждая из указанных лопастей содержит корпус лопасти и подпружиненную относительно корпуса лопасти и установленную в нем с возможностью перемещения в направлении продольной оси лопасти лопатку, и тем, что роторный двигатель внутреннего сгорания снабжен в качестве стопорных механизмов кулачковыми механизмами и стопорными сегментами, при этом кулачковые механизмы установлены на валу и обеспечивают для компрессионных и конверсионных лопастей возвратно-поступательные движения и их фиксацию в заданном положении, а стопорные сегменты размещены в корпусе с возможностью вращения относительно лопастей и обеспечивают фиксацию лопаток в заданном положении.
Отметим, что образованные вышеуказанными поверхностями компрессионные и конверсионные камеры, в которых происходят основные процессы рабочего цикла, имеют общее наименование - рабочие камеры - и, соответственно, компрессионные и конверсионные лопасти имеют общее наименование - рабочие лопасти. Поскольку форма компрессионных и конверсионных камер и конструкция компрессионных и конверсионных лопастей одинаковые и различаются лишь функциональным назначением, то в дальнейшем в случаях, не имеющих отношения к их функциональному назначению, для них используются общие термины: рабочая камера и рабочая лопасть, или просто лопасть.
В настоящем изобретении в роторном двигателе внутреннего сгорания для уравновешивания сил, действующих на вал ДВС, количество камер сгорания может быть четное, более двух и равное сумме компрессионных и конверсионных камер. Впускные и выпускные каналы в ДВС могут быть выполнены в профилированных выступах. Возможно также, что кольцевые диски скреплены с трубчатым элементом с профилированными выступами и впускные и выпускные каналы выполнены в кольцевых дисках по разные стороны от соответствующего профилированного выступа. В другом варианте возможно, что кольцевые диски скреплены с трубчатым элементом с пазами и в кольцевых дисках выполнены радиальные канавки, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены торцевые участки лопаток компрессионных и конверсионных лопастей и толкатели лопаток, которыми снабжена каждая из указанных лопаток, при этом для обеспечения постоянной герметизации рабочих камер длина толкателей лопаток больше разницы между радиусом внутренней поверхности коаксиального трубчатого элемента большего диаметра и радиусом наружной поверхности трубчатого элемента меньшего диаметра.
Новым в роторном двигателе внутреннего сгорания является и то, что направляющая наружных поверхностей профилированных выступов образована не менее чем тремя последовательно расположенными и сопряженными между собой участками, при этом первый участок представляет собой часть кривой третьего порядка, второй участок представляет собой часть кривой второго порядка, например эллипса, а третий участок представляет собой часть гипоциклоиды, при этом направляющая наружных поверхностей профилированных выступов может содержать между первым и вторым участками часть окружности с радиусом, равным радиусу поверхности трубчатого элемента с пазами, обращенной к компрессионным и конверсионным камерам.
Заявителем не выявлены технические решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков настоящего изобретения в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются новые свойства заявленного объекта. Упрощается конструкция ДВС в целом, а также конфигурация профилированных выступов, представляющих в настоящем изобретении кулачки, расположенные на валу, то есть, по существу, распределительный вал большего диаметра, чем в традиционном поршневом двигателе внутреннего сгорания. В настоящем изобретении возвратно-поступательное движение лопастей и их фиксация обеспечивается одним и тем же указанным кулачковым механизмом, что исключает необходимость в его сложной настройке. Следует отметить, что в радиальных канавках кольцевых дисков лопатки и толкатели лопаток размещены с температурными зазорами в аксиальном направлении, что улучшает герметизацию компрессионных и конверсионных камер с учетом температурных расширений лопастей.
Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».
Для обеспечения возвратно-поступательного движения лопастей роторного двигателя внутреннего сгорания в настоящем изобретении предлагается новое устройство.
Устройство относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство, обеспечивающее возвратно-поступательное движение лопасти роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащее цилиндрический элемент с направляющей волнообразной канавкой в корпусе ДВС и толкатели в форме цилиндрических пальцев, каждый из которых расположен со стороны узкой продольной поверхности лопасти, обращенной к цилиндрическому элементу с волнообразной направляющей канавкой и с возможностью перемещения в волнообразной направляющей канавке цилиндрического элемента US 5551853.
Данное техническое решение является наиболее близким аналогом настоящего изобретения, обеспечивающего возвратно-поступательное движение лопасти ДВС, но не может быть выбрано прототипом, так как в нем использованы иные механизм и принцип действия устройства. Кроме того, недостатком аналога является то, что лопасть за счет сил инерции оказывает большое давление через толкатель на волнообразную поверхность направляющей канавки и в зоне контакта полная сила, действующая на лопасть, направлена под углом к оси лопасти и поэтому только часть этой силы направлена вдоль оси лопасти, обеспечивая ее возвратно-поступательное движение.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является увеличение силы действия на лопасть, обеспечивающей ее выход из рабочей камеры при возвратно-поступательном движении.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что устройство для перемещения лопастей роторного двигателя внутреннего сгорания содержит вал с дисками, на которых размещены кулачки и ограничители движения лопасти таким образом, что совместно образуют направляющие канавки, содержит камеру сгорания, подпружиненную упругим элементом лопасть с толкателями, каждый из которых расположен на внутренней стороне лопасти, обращенной к оси вала, и снабжен направляющим пальцем, взаимодействующим с направляющими канавками, а также содержит цилиндр с поршнем, газовый резервуар, размещенный между камерой сгорания и цилиндром с поршнем, при этом поршень закреплен на внутренней стороне лопасти, впускной клапан, разделяющий камеру сгорания и газовый резервуар, выпускной клапан, разделяющий газовый резервуар и цилиндр с поршнем, и механизм управления впускным и выпускным клапанами, например кулачковый механизм, расположенный на валу, причем в части газового резервуара, расположенной между цилиндром с поршнем и выпускным клапаном, выполнено выпускное окно. Отметим, что каждая лопасть может быть снабжена не менее чем двумя описанными выше устройствами, размещенными по продольной оси лопасти.
Заявителем не выявлены решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Благодаря осуществлению настоящего изобретения достигаются новые важные свойства заявленного объекта. Увеличивается сила, действующая на лопасть вдоль ее оси в направлении движения лопасти при ее выходе из рабочей камеры, и, тем самым, уменьшается давление на криволинейную поверхность рабочей камеры в зоне контакта этой поверхности с торцевой поверхностью лопасти за счет компенсации сил инерции лопасти и сил упругих элементов, действующих на лопасть. В результате этого снижается износ поверхностей в зоне контакта. Наличие ограничителей движения лопасти во взаимодействии с направляющим пальцем обеспечивает заданную траекторию движения лопасти.
Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».
Устройства по настоящему изобретению объединены рабочим циклом роторного двигателя внутреннего сгорания.
Предшествующий уровень техники
Известен рабочий цикл роторного ДВС RU 2 307 255, при котором используют стопорные механизмы для фиксации компрессионных и конверсионных лопастей. В этом рабочем цикле путем перемещения компрессионной лопасти в компрессионной камере заполняют эту камеру свежим зарядом топливовоздушной смеси, нагнетая при этом в камеру сгорания и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую компрессионную камеру в предыдущем цикле. Далее освобождают от фиксации конверсионную лопасть при прохождении этой лопастью профилированного выступа, отделяющего компрессионную камеру от конверсионной камеры, фиксируют компрессионную лопасть при прохождении ею профилированного выступа, отделяющего компрессионную камеру от конверсионной камеры, воспламеняют топливовоздушную смесь и в конверсионной камере, отделенной профилированным выступом от компрессионной камеры, расширяющимися газами давят на конверсионную лопасть, осуществляя ее рабочий ход и приводя во вращение вал двигателя, вытесняя при этом из конверсионной камеры отработанные газы предыдущего рабочего цикла. Затем фиксируют конверсионную лопасть при прохождении этой лопастью профилированного выступа, отделяющего конверсионную камеру от компрессионной камеры, освобождают от фиксации компрессионную лопасть при прохождении ею профилированного выступа, отделяющего конверсионную камеру от компрессионной камеры, и этим завершают рабочий цикл.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения, в части способа, является увеличение степени сжатия топливовоздушной смеси и повышение эффективности ее использования.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в рабочем цикле роторного двигателя внутреннего сгорания, при котором используют стопорные механизмы для фиксации компрессионных и конверсионных лопастей и при котором путем перемещения компрессионной лопасти в компрессионной камере заполняют эту камеру свежим зарядом топливовоздушной смеси, нагнетая при этом в камеру сгорания и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую компрессионную камеру в предыдущем цикле, освобождают от фиксации конверсионную лопасть при прохождении этой лопастью профилированного выступа, отделяющего компрессионную камеру от конверсионной камеры, фиксируют компрессионную лопасть при прохождении ею профилированного выступа, отделяющего компрессионную камеру от конверсионной камеры, воспламеняют топливовоздушную смесь и в конверсионной камере, отделенной профилированным выступом от компрессионной камеры, расширяющимися газами давят на конверсионную лопасть, осуществляя ее рабочий ход и приводя во вращение вал двигателя, вытесняя при этом из конверсионной камеры отработанные газы предыдущего рабочего цикла, фиксируют конверсионную лопасть при прохождении этой лопастью профилированного выступа, отделяющего конверсионную камеру от компрессионной камеры, освобождают от фиксации компрессионную лопасть при прохождении ею профилированного выступа, отделяющего конверсионную камеру от компрессионной камеры, новым является то, что используют ограничители движения лопастей, которые совместно с профилированными выступами образуют направляющие канавки, используют также толкатели лопастей с направляющими пальцами, последовательно расположенные с камерой сгорания и соответствующие каждой компрессионной и конверсионной лопасти газовый резервуар с выпускным окном и цилиндр с поршнем, отделенные друг от друга соответствующими впускным и выпускным клапанами, механизм управления впускным и выпускным клапанами, например кулачковый механизм, при этом соответствующий упомянутый поршень скреплен с соответствующей компрессионной и конверсионной лопастью, причем после достижения компрессионной лопастью полного вхождения в компрессионную камеру открывают компрессионный выпускной клапан, закрывая компрессионное выпускное окно, и сжатыми газами, заполнившими компрессионный газовый резервуар во время предшествующего воспламенения в камере сгорания топливовоздушной смеси, давят на компрессионный поршень и перемещают компрессионную лопасть в обратном направлении, вытесняя ее из компрессионной камеры, после освобождения от фиксации конверсионной лопасти закрывают компрессионный выпускной клапан, открывая компрессионное выпускное окно, и вытесняют отработанные газы предыдущего цикла из конверсионного цилиндра с поршнем, после воспламенения топливовоздушной смеси открывают впускной клапан и заполняют сжатыми газами компрессионный и конверсионный газовые резервуары, после достижения конверсионной лопастью полного вхождения ее в конверсионную камеру закрывают впускной клапан, открывают конверсионный выпускной клапан, закрывая конверсионное выпускное окно, и сжатыми газами, заполнившими конверсионный газовый резервуар, давят на конверсионный поршень и перемещают конверсионную лопасть в обратном направлении, вытесняя ее из конверсионной камеры.
Заявителем не выявлены решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Благодаря осуществлению отличительных признаков настоящего изобретения в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются новые важные свойства заявленного объекта: уменьшается давление в зонах контакта торцевой поверхности лопасти и рабочей камеры, улучшаются условия работы подшипниковых узлов и вала ДВС. В результате значительно повышается КПД и снижается износ деталей ДВС и в целом повышается эффективность рабочего цикла.
Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».
Для обеспечения рабочего цикла по настоящему изобретению используются все устройства, заявленные и изложенные в формуле изобретения, что, по мнению заявителя, обусловливает соответствие настоящего изобретения «требованию единства изобретения», так как в заявленной группе изобретения настолько связаны между собой, что они образуют единый изобретательский замысел.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено
на фиг.1 - общий вид ДВС со ступенчатым разрезом внешних деталей;
на фиг.2 - разрез ДВС радиальными плоскостями по осевым линиям компрессионной и конверсионной лопастей;
на фиг.3 - взаимное расположение внутренних деталей ДВС: трубчатого элемента с профилированными выступами и кулачков;
на фиг.4 - разрез ДВС плоскостью симметрии, перпендикулярной оси вала;
на фиг.5 - общий вид лопасти;
на фиг.6 - сечение профилированного выступа;
на фиг.7а - общая схема устройства для перемещения лопасти ДВС;
на фиг.7b - один блок устройства перемещения лопасти ДВС со ступенчатым разрезом.
Вариант осуществления изобретения
Возможно несколько вариантов осуществления изобретения. В частности, возможен вариант, в котором в трубчатом элементе меньшего диаметра в радиальном направлении выполнены пазы, а профилированные выступы - на внутренней поверхности трубчатого элемента большего диаметра. Однако лучшим вариантом осуществления изобретения следует считать вариант, описанный ниже, при котором в трубчатом элементе большего диаметра в радиальном направлении выполнены пазы, а профилированные выступы - на наружной поверхности трубчатого элемента меньшего диаметра. В этом варианте корпус роторного двигателя внутреннего сгорания (фиг.1, 2, 4) состоит из двух крайних одинаковых частей 1, расположенной между ними средней части 2 корпуса и боковых крышек 3, в которых установлен вал 4. РДВС содержит детали, образующие кольцевую область. Конкретно, кольцевую область образуют: средняя часть 2 корпуса, трубчатый элемент 5 и кольцевые диски 6, 7. При этом средняя часть 2 корпуса одновременно является трубчатым элементом большего диаметра и, соответственно, элемент 5 - трубчатым элементом меньшего диаметра. В конкретном варианте в трубчатом элементе большего диаметра 2 в радиальном направлении выполнены пазы, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены компрессионные 8 и конверсионные 9 лопасти, между которыми расположены камеры сгорания 10. В кольцевой области на внешней поверхности трубчатого элемента меньшего диаметра размещены с возможностью контакта с компрессионными 8 и конверсионными 9 лопастями профилированные выступы 11 (фиг.3). В конкретном варианте трубчатый элемент большего диаметра 2 неподвижен, а трубчатый элемент меньшего диаметра 5 вращается вместе с валом 4. Наружные поверхности профилированных выступов 11 совместно с поверхностями трубчатых элементов 2,5 и кольцевых дисков 6,7 образуют компрессионные 12 и конверсионные 13 камеры (фиг.4), разделенные профилированными выступами 11, причем с чередованием через один профилированный выступ 11 для компрессионных 12 и конверсионных 13 камер выполнены, соответственно, впускные 14 и выпускные 15 каналы. Каждая из указанных лопастей подпружинена посредством упругого элемента относительно детали, в которой выполнены пазы (фиг.2), то есть трубчатого элемента 2, и содержит корпус 16 лопасти (фиг.5) и подпружиненную относительно корпуса 16 лопасти и установленную в нем с возможностью перемещения в направлении продольной оси лопасти лопатку 17. На фиг.2 для двух лопастей жирными линиями показаны оси 18 пружин растяжения (сами пружины условно не показаны), выполняющих в данном случае функции указанных выше подпружиненных элементов. Пружины для лопаток 17 размещены в стаканах 19 и на фиг.1, 2, 4, 5 не видны. Корпус 16 каждой лопасти соединен с толкателями 20 лопастей, а лопатки 17 соединены с толкателями 21, 22. Роторный двигатель внутреннего сгорания снабжен в качестве стопорных механизмов механизмами с кулочками 23 и 24, установленными на валу и обеспечивающими, соответственно, для компрессионных 8 и конверсионных 9 лопастей возвратно-поступательные движения и их фиксацию в заданном положении. Фиксация лопаток обеспечивается стопорными сегментами 25 и 26, при этом толкатели 21 лопаток выполнены в форме прямых стержней (фиг.5) и фиксируются только стопорными сегментами 25, а концы толкателей 22 лопаток выполнены в форме вилок (фиг.5) и фиксируются только стопорными сегментами 26. Очевидно, что необходимая траектория движения лопастей обеспечивается соответствующей формой кулачков 23 и 24, показанной на фиг.1 и фиг.3. Траектория движения толкателей 21, 22 и, соответственно, лопаток 17 обусловлена стопорными сегментами 25 и 26, в результате чего лопатки 17 удерживаются в заданном положении вместе со всей лопастью и прижимаются дополнительными усилиями пружин лопаток, размещенных в стаканах 19, при свободном движении лопастей.
В конкретном варианте кольцевые диски 6, 7 скреплены с коаксиальным трубчатым элементом большего диаметра 2 и в них выполнены радиальные канавки 27, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены торцевые участки лопаток компрессионных 8 и конверсионных 9 лопастей и толкатели лопаток 21, 22. Отметим, что трубчатый элемент меньшего диаметра 5 соединен с валом через ступицу 28 (фиг.2, 3). В каждую камеру сгорания 10 ввернута свеча зажигания 29. Для впуска топливовоздушной смеси и выпуска отработанных газов выполнены отверстия 31 (фиг.1, 4). На фиг.1, 4 показано отверстие 31 для выпуска отработанных газов. Впускное отверстие (31) расположено симметрично и на фиг.1, 4 удалено вместе с вырезанными частями внешних деталей РДВС. В двигателе две кольцевые зоны 32 и 33 (фиг.2) образованы поверхностями частей 1 и 2 корпуса двигателя, ступицы 28, кольцевых дисков 6, 7 и частями внутренней поверхности трубчатого элемента 5 меньшего диаметра. Через кольцевые зоны 32, 33 и отверстия 31 осуществляется впуск топливовоздушной смеси в компрессионные камеры 12 и выпуск отработанных газов из конверсионных камер 13. На фиг.3 вырезана часть выступа 11 и трубчатого элемента меньшего диаметра 5, чтобы наглядно показать путь впуска топливовоздушной смеси через кольцевую зону 32 и впускной канал 14. Очевидно, что через канал 14 впуск топливовоздушной смеси возможен только через кольцевую зону 32. Соответственно, выпуск отработанных газов возможен только через кольцевую зону 33 и выпускной канал 15.
В предложенной конструкции двигателя для эффективного использования энергии сжатых газов форма рабочих (компрессионных и конверсионных) камер выбрана такой, чтобы как можно большая активная площадь лопастей была доступна для их воздействия на первом этапе рабочего цикла и обеспечивала легкие условия выхода лопастей из рабочих камер на завершающем этапе рабочего цикла. Поэтому направляющая наружных поверхностей профилированных выступов 11 состоит не менее чем из трех последовательно расположенных участков: части кривой третьего порядка 34, части эллипса 35 и части гипоциклоиды 36 (фиг.6). Каждый участок обязательно сопряжен с соседним участком. Для обеспечения надежной работы стопорных механизмов, соответствующих механизмов с кулочками 23 и 24, впускных и выпускных клапанов, впускных и выпускных окон в каждую направляющую наружных поверхностей профилированных выступов между участками кривой третьего порядка и эллипса вставлен участок, представляющий собой часть 37 окружности с радиусом, равным радиусу внутренней поверхности трубчатого элемента большего диаметра.
На фиг.7а и 7b представлено устройство для перемещения лопастей. Для большей наглядности на фиг.7а и 7b оставлены только те детали и узлы, которые непосредственно поясняют конструкцию устройства. На фиг.7а представлена общая схема устройства для перемещения лопастей, а на фиг.7b представлен один блок со ступенчатым разрезом. Устройство содержит закрепленные на валу 4 кулачковые диски, на которых размещены кулачки 23 компрессионных и кулачки 24 конверсионных лопастей и ограничители 38 движения компрессионных и ограничители 39 движения конверсионных лопастей, при этом соответствующие кулачки и ограничители движения лопастей образуют направляющие канавки 40. Каждая лопасть подпружинена упругими элементами (на фиг.2 полужирными линиями показаны оси 18 пружин растяжения, в конкретном случае выполняющие роль упругих элементов) и снабжена толкателями 20, на конце которых установлены направляющие пальцы 41. Толкатель 20, взаимодействующий через направляющий палец 41 с кулачками, направляющей канавкой 40 и ограничителями движения 38 (39), обеспечивает заданную траекторию движения лопасти 8 (9). В дальнейшем в тексте и на чертежах без скобок указаны позиции деталей или элементов двигателя, связанные с компрессионными процессами, а в скобках указаны позиции таких же деталей или элементов двигателя, связанные с конверсионными процессами. Источником энергии, обеспечивающей движение лопастей 8 (9), служит воспламененная топливовоздушная смесь в камере сгорания 10. К камере сгорания 10 со стороны, противоположной рабочим камерам 12 (13), примыкают цилиндр 42 (48) с поршнем 43 (49) и газовый резервуар 44 (50), которые разделены между собой выпускным клапаном 45, при этом камера сгорания 10 и газовый резервуар 44 (50) между собой разделены впускным клапаном 46. В цилиндре 42 (48) со стороны, прилегающей к выпускному клапану 45, выполнено выпускное окно 47. Работа устройства для перемещения лопастей рассмотрена ниже как составная часть при рассмотрении рабочего цикла ДВС. Управление устройством для перемещения лопастей возможно электромагнитными приборами, но в конкретном варианте рассмотрено управление устройством кулачковыми механизмами. На валу 4 закреплены диски 53 впускных клапанов 46, на которых размещены кулачки 54 впускных клапанов 46. Толкатели 55 впускных клапанов 46 обеспечивают работу этих клапанов. Работа выпускных клапанов 45 обеспечивается соответственно толкателями 56 (57) выпускных клапанов при их взаимодействии с выемками 58 (59) в дисках 60 выпускных клапанов 45.
Пуск роторного двигателя внутреннего сгорания осуществляется стартером, на чертежах не показан.
Ступица 28 вместе с валом 4, трубчатым элементом меньшего диаметра 5 вращается в направлении, противоположном вращению часовой стрелки (фиг.4). Рабочий процесс в ДВС рассмотрим после запуска на примере одного рабочего цикла. Прежде всего опишем исходное положение деталей, соответствующее моменту времени, указанному на чертежах, а затем все изменения, происходящие при вращении вала ДВС. Компрессионные лопасти 8, находящиеся в зоне компрессионных камер 12, не удерживаются кулачками 23 и связанные с этими компрессионными лопастями 8 направляющие пальцы 41 толкателей 20 лопастей находятся в направляющих канавках 40, компрессионные поршни 43 до конца введены в компрессионные цилиндры 42 и компрессионные выпускные клапаны 45 закрыты, а компрессионные выпускные окна 47 открыты. Компрессионные лопасти 8, находящиеся в зоне конверсионных камер 13, удерживаются кулачками 23 и связанные с этими компрессионными лопастями 8 компрессионные поршни 43 до конца выведены из компрессионных цилиндров 42 и компрессионные выпускные клапаны 45 закрыты, а компрессионные выпускные окна открыты. Конверсионные лопасти 9, находящиеся в зоне компрессионных камер 12, удерживаются кулачками 24 и связанные с этими конверсионными лопастями 9 конверсионные поршни 49 до конца выведены из конверсионных цилиндров 48 и соответствующие конверсионные выпускные клапаны закрыты, а конверсионные выпускные окна открыты. Конверсионные лопасти 9, находящиеся в зоне конверсионных камер 13, не удерживаются кулачками 24 и связанные с этими конверсионными лопастями 9 направляющие пальцы 41 толкателей 20 лопастей находятся в направляющих канавках 40, конверсионные поршни 49 до конца введены в конверсионные цилиндры 48 и соответствующие конверсионные выпускные клапаны закрыты, а конверсионные выпускные окна открыты. Все впускные клапаны 46 закрыты, но компрессионные газовые резервуары 44, связанные с компрессионными лопастями 8, находящимися в компрессионных камерах 12, и конверсионные газовые резервуары 50, связанные с конверсионными лопастями 9, находящимися в конверсионных камерах 13, заполнены сжатыми газами во время предыдущего цикла. Остальные газовые резервуары не заполнены сжатыми газами. Для рассмотрения полного рабочего цикла достаточно рассмотреть процессы в ДВС при повороте вала на 180 градусов и связанные с одной парой лопастей 8 и 9, охватывающих одну камеру сгорания 10, расположенную в начальный момент времени в зоне компрессионной камеры 12.
Вращают вал 4 (фиг.4) и профилированный выступ 11 с впускным 14 и выпускным 15 каналами отдаляют от компрессионной лопасти 8, создавая в расположенной между ними части компрессионной камеры 12 разрежение и через впускное отверстие 31, впускную кольцевую зону 32 и впускной канал 14, заполняя эту часть компрессионной камеры 12 свежим зарядом топливовоздушной смеси. Одновременно профилированный выступ 11 без впускного и выпускного каналов приближают к этой же компрессионной лопасти 8, сжимая свежий заряд топливовоздушной смеси, заполнивший компрессионную камеру 12 в предыдущем цикле (на чертеже часть компрессионной камеры 12, расположенная между компрессионной лопастью 8 и профилированным выступом 11 без впускного и выпускного каналов). Этим зарядом заполняют камеру сгорания 10, находящуюся в это время в зоне компрессионной камеры 12, сжимая его в камере сгорания 10. Продолжая вращение вала 4, профилированный выступ 11 (без каналов) перемещают к конверсионной лопасти 9 и при достижении профилированным выступом 11 конверсионной лопасти 9 освобождают эту лопасть от фиксации кулачками 24, вводя при этом направляющие пальцы 41 толкателей 20 этой лопасти в соответствующие направляющие канавки 40. Открывают компрессионные выпускные клапаны 45, закрывая компрессионные выпускные окна 47, и обеспечивают выход компрессионной лопасти 8 из компрессионной камеры 12 по заданной траектории за счет направляющих канавок 40 и действия сжатых газов из компрессионных резервуаров 44 на компрессионные поршни 43. Перемещают профилированный выступ 11 (без каналов) к компрессионной лопасти 8 и при достижении профилированным выступом 11 компрессионной лопасти 8 фиксируют эту лопасть кулачками 23, выводя из направляющих канавок 40 направляющие пальцы 41 толкателей 20 этой лопасти, и закрывают компрессионные выпускные клапаны 45, открывая компрессионные выпускные окна 47. Конверсионную лопасть 9 под действием пружин растяжения (оси 18 пружин растяжения показаны на фиг.2 полужирными линиями) по траектории, заданной кулачками 24, вводят в конверсионную камеру 13, перемещая конверсионные поршни 49 в конверсионные цилиндры 48 и вытесняя из них отработанные газы предыдущего цикла через соответствующие выпускные окна. В камере сгорания 10, находящуюся уже в зоне конверсионной камеры 13 сжатую топливовоздушную смесь воспламеняют свечами зажигания 29 и давлением расширяющихся газов на поверхность профилированного выступа 11 (без каналов) обеспечивают рабочий ход двигателя. Открывают впускной клапан 46, воздействуя кулачком 54 впускного клапана на толкатель 55 впускного клапана, и заполняют сжатыми газами компрессионные газовые резервуары 44 и конверсионные газовые резервуары 50. Закрывают впускной клапан 46.
Одновременно из конверсионной камеры 13 через выпускной канал 15 в профилированном выступе 11, выпускную кольцевую зону 33 и соответствующее выпускное отверстие 31 вытесняют отработавшие газы предыдущего рабочего цикла (фиг.1 - фиг.4). Продолжая вращение вала 4, открывают соответствующие конверсионные выпускные клапаны, закрывая конверсионные выпускные окна, и обеспечивают выход конверсионной лопасти 9 из конверсионной камеры 13 по заданной траектории за счет направляющих канавок 40 и действия сжатых газов из конверсионных резервуаров 50 на конверсионные поршни 49. Перемещают профилированный выступ 11 (с каналами) к конверсионной лопасти 9 и при достижении профилированным выступом 11 конверсионной лопасти 9 фиксируют эту лопасть кулачками 24, выводя из направляющих канавок 40 направляющие пальцы 41 толкателей 20 этой лопасти, и закрывают соответствующие конверсионные выпускные клапаны, открывая конверсионные выпускные окна. Перемещают профилированный выступ 11 (с каналами) к компрессионной лопасти 8 и при достижении профилированным выступом 11 компрессионной лопасти 8 освобождают эту лопасть кулачками 23, вводя в направляющие канавки 40 направляющие пальцы 41 толкателей 20 этой лопасти. Компрессионную лопасть 8 под действием пружин растяжения (оси 18 пружин растяжения показаны на фиг.2 полужирными линиями) по траектории, заданной кулачками 23, вводят в следующую компрессионную камеру 12, перемещая компрессионные поршни 43 в компрессионные цилиндры 42, вытесняя из них отработанные газы предыдущего цикла через компрессионные выпускные окна 47 и этим завершая рабочий цикл ДВС.
Следует отметить, что рассмотренные процессы в компрессионных 12 и в конверсионных 13 камерах происходят одновременно, но с участием разных камер сгорания 10 и с соответствующим положением компрессионных 8 и конверсионных 9 лопастей, охватывающих соответствующие камеры сгорания 10.
Промышленная применимость
Роторный двигатель внутреннего сгорания по настоящему изобретению прост в реализации и в обслуживании, так как содержит небольшое количество деталей. В нем значительно снижен удельный расход топлива, что улучшает экологию при его эксплуатации. В роторном ДВС по настоящему изобретению значительно уменьшены вибрации и шумы. Изложенное свидетельствует о том, что роторный ДВС по настоящему изобретению может быть использован в автомобилестроении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленно применимо».
Лист ссылочных обозначений
1 - крайняя часть корпуса
2 - трубчатый элемент большего диаметра (средняя часть корпуса)
3 - боковая крышка
4 - вал
5 - трубчатый элемент меньшего диаметра
6, 7 - кольцевые диски
8 - компрессионная лопасть
9 - конверсионная лопасть
10 - камера сгорания
11 - профилированный выступ
12 - компрессионная камера
13 - конверсионная камера
14 - впускной канал
15 - выпускной канал
16 - корпус лопасти
17 - лопатка лопасти
18 - ось пружины растяжения
19 - стакан для размещения пружин лопаток
20 - толкатель лопасти
21 - толкатель лопатки в форме прямого стержня
22 - толкатель лопатки в форме вилки
23 - кулачок компрессионной лопасти
24 - кулачок конверсионной лопасти
25 - стопорный сегмент лопатки компрессионной лопасти
26 - стопорный сегмент лопатки конверсионной лопасти
27 - радиальная канавка
28 - ступица
29 - свеча зажигания
31 - впускное и выпускное отверстие
32 - впускная кольцевая зона
33 - выпускная кольцевая зона
34 - часть кривой третьего порядка в направляющей профилированного выступа
35 - часть эллипса в направляющей профилированного выступа
36 - часть гипоциклоиды в направляющей профилированного выступа
37 - часть окружности в направляющей профилированного выступа
38 - ограничитель движения компрессионных лопастей
39 - ограничитель движения конверсионных лопастей
40 - направляющая канавка
41 - направляющий палец толкателя лопасти
42 (48) - компрессионный (конверсионный) цилиндр
43 (49) - компрессионный (конверсионный) поршень
44 (50) - компрессионный (конверсионный) газовый резервуар
45 - компрессионный (конверсионный) выпускной клапан
46 - впускной клапан
47 - компрессионное (конверсионное) выпускное окно
53 - диск впускного клапана
54 - кулачок впускного клапана
55 - толкатель впускного клапана
56 (57) - толкатель компрессионного (конверсионного) выпускного клапана
58 (59) - выемка в диске компрессионного (конверсионного) выпускного клапана
60 - диск выпускного клапана