РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Настоящее изобретение относится к роторным двигателям, которые могут быть использованы, например, как тепловые двигатели или получающие энергию от возобновляемых источников энергии.
ЕР 1405996 А1 описывает роторный двигатель, использующий термодинамические процессы. Роторный двигатель, показанный на фиг. 9, имеет преимущество, как указывают изобретатели, в виде повышенной эффективности использования топлива и простоты изготовления по сравнению с термодинамическими машинами, известными по настоящее время. В показанном роторном двигателе два рабочих диска вращаются навстречу друг другу, первый ротор размещен в рабочей камере, а второй ротор размещен в камере сжатия. Рабочее тело подается в камеру сжатия рабочим диском, расположенным в рабочей камере, где оно воспламеняется отдельно от рабочей камеры и подается назад в рабочую камеру, где происходит рабочий цикл за счет расширения и таким образом приводится в движение ротор в рабочей камере. Недостатком описанной в этом документе машины является то, что золотники установлены в оба рабочих диска для герметизации рабочей камеры и камеры сжатия, и эти золотники из-за возрастающей центробежной силы при вращении рабочих дисков уплотняются наружу по отношению к внутренней стенке корпуса 1 роторного двигателя, чтобы сжать рабочее тело. Однако указанные золотники подвержены значительному износу и задирам, и контактное давление золотников на внутреннюю стенку корпуса и, таким образом, герметичность зависят только от растущей центробежной силы при вращении рабочих дисков или от пружин, установленных между золотниками и рабочими дисками. Со временем указанные пружины могут потерять свои свойства, что приведет к пропускам в рабочую и компрессионную камеры. Еще одним недостатком является то, что рабочие диски вращаются в противоположные стороны, хотя находятся в постоянном контакте, что приводит к увеличенному трению рабочих дисков: это выражается либо в большой степени износа и задирам либо в применении дорогостоящих, износостойких материалов на поверхности рабочих дисков.
На основании изложенного технической задачей настоящего изобретения является создание роторного двигателя, который дает повышенную герметичность и, таким образом, больший срок службы при постоянной мощности.
Эта задача решается тем, что в роторном двигателе, содержащем корпус с первой роторной камерой и второй роторной камерой в виде энергопоглощающей камеры; первый ротор, расположенный в первой роторной камере; корпус, имеющий такую конфигурацию, что граничная поверхность первой роторной камеры имеет расстоянии от поверхности первого ротора, являющейся противоположной граничной (контактной) поверхности первой роторной камеры, которое меняется по отношению к окружности первого ротора; второй ротор, расположенный внутри энергопоглощающей камеры; и пару клапанных пластин, составляющих первый клапан и второй клапан, клапаны установлены свободно вращающимися на первом роторе таким образом, что во время вращения первого ротора клапаны находятся в контакте с поверхностью первой роторной камеры и вращаются в противоположных направлениях по отношению к первому ротору, образовывая две раздельные рабочие камеры (А, В) в первой роторной камере, первая роторная камера соединена с энергопоглощающей камерой таким образом, что при вращении первого ротора рабочая среда (например, газ), сжатый пластиной клапана, перемещается из рабочей камеры (А) первого ротора в полость второго ротора, расположенного в энергопоглощающей камере, и становится закрытым между поверхностью полости и поверхностью энергопоглощающей камеры, при этом роторный двигатель сконструирован с возможностью передачи энергии к рабочей среде, находящейся в полости второго ротора, чтобы увеличить давление рабочей среды, находящейся в полости.
Первый ротор имеет клапанные полости для точной установки клапанов в них, таким образом, что клапана образуют непрерывную поверхность с граничной поверхностью первого ротора.
Корпус имеет сужение и при вращении первого ротора площадь поверхности первого ротора входит в контакт при проходе сужения с поверхностью первой роторной камеры, где указанная площадь расположена в сужении; и где клапаны при вращении первого ротора входят в состав клапанных полостей, когда они проходят сужение.
Энергопоглощающая камера соединена с первой роторной камерой при помощи первого прохода и второго прохода, которые окружают сужение, и при вращении первого ротора рабочая среда может вытекать из первой рабочей камеры (А) внутри первой роторной камеры через первый проход в энергопоглощающую камеру и может перетекать из энергопоглощающей камеры через второй проход во вторую рабочую камеру (В) внутри первой роторной камеры.
Второй ротор выполнен в виде цилиндрического ротора и имеет полость для хранения рабочей среды в энергопоглощающей камере и этот рабочая среда проходит через первый проход и выходит через второй проход при вращении первого ротора.
Второй ротор соединен с первым ротором таким образом, что вращение первого ротора приводит к вращению в том же направлении второго ротора.
Роторный двигатель дополнительно содержит вторую пару клапанов, имеющую третий клапан и четвертый клапан, вторая пара свободно вращающихся клапанов размещена против первой пары клапанов на первом роторе, и вторая пара клапанов идентична первой паре клапанов в диапазоне допусков; и где второй ротор имеет вторую полость для сохранения рабочей среды, указанная полость расположена против первой полости и изготовлена со смещением по отношению к длине второго ротора.
Энергопоглощающая камера имеет конфигурацию для передачи рабочей среды, содержащейся в полости второго ротора.
Роторный двигатель имеет второе сужение, размещенное против первого сужения; второе сужение расположено между выходным отверстием рабочей среды и входным отверстием рабочей среды корпуса, таким образом, при вращении первого ротора часть рабочей среды покидает роторный двигатель через выходное отверстие, а другая часть рабочей среды поступает в роторный двигатель через входное отверстие; и имеет топливный инжектор для впрыска топлива в полости энергопоглощающей камеры.
Роторный двигатель имеет второе сужение, расположенное против первого сужения, и второе сужение расположено между третьим и четвертым проходом, третий проход выполнен как вход устройства теплового излучения, а четвертый проход выполнен как выход устройства теплового излучения, и при вращении первого ротора часть рабочей среды поступает в устройство теплового излучения через третий проход, а другая часть рабочей среды покидает устройство теплового излучения через четвертый проход.
Роторный двигатель содержит U-образную трубку; первый конец трубки соединен с энергопоглощающей камерой, и при вращении первого ротора часть рабочая среда поступает из первой рабочей камеры (А) первого ротора через первый проход, через одну из полостей второго ротора и в трубку; и второй конец трубки соединен с энергопоглощающей камерой и при вращении первого ротора часть рабочей среды перетекает из трубки через полости второго ротора через второй проход во вторую рабочую камеру (В) в первой роторной камере.
Трубка расположена в фокальной плоскости светофокусирующего устройства.
Второй ротор выполнен из материала с низкой теплопроводностью.
Расстояние от первого клапана пары клапанов до второго клапана этой же пары клапанов имеет минимальный размер по отношению к окружности первого ротора.
Первый ротор является цилиндрическим и/или второй ротор является цилиндрическим.
Клапаны имеют покрытие из износостойких материалов.
Клапаны имеют серповидную форму и на одном из концов имеют кривизну с утолщением для присоединения первого ротора.
Корпус образован из двух половин, первая половина имеет первую роторную камеру, а вторая половина имеет энергопоглощающую камеру и обе половины соединены между собой герметично.
Роторный двигатель имеет стартерное устройство, предназначенное для пуска первого ротора во вращательное движение.
Клапаны имеют пружины, расположенные таким образом, что при нахождении в покое первого ротора клапаны прижаты к поверхности первой роторной камеры.
Ключевая идея настоящего изобретения основывается на том, что роторный двигатель, состоящий из первого рабочего диска, расположенного в первой роторной камере, и второго рабочего диска, расположенного во второй роторной камере, могут иметь повышенную герметичность, когда пара клапанов, состоящая из первого клапана и второго клапана, расположена на первом рабочем диске таким образом, что при вращении первого рабочего диска пластины клапанов находятся в контакте с поверхностью первой роторной камеры и вращаются одновременно в противоположную от вращения первого рабочего диска сторону.
Пластины клапанов устроены таким образом, что при вращении первого рабочего диска они образуют две раздельные рабочие камеры внутри первой роторной камеры. Во время движения первого рабочего диска пластины клапанов прижаты к внутренней стенке корпуса центробежной силой и благодаря, например, серповидному разделительному элементу и под действием компрессии и расширения среды в рабочей камере они прижимаются к внутренней поверхности стенки корпуса еще сильнее, что дает еще большую герметичность.
Таким образом, применение пластин клапанов для среды, находящейся в рабочей камере роторного двигателя, является преимуществом настоящего изобретения, достигается улучшение герметичности при компрессии или расширении среды, что приводит к увеличению КПД двигателя.
Вдобавок поворотное устройство пластин клапанов на первом рабочем диске позволяет пластинам клапанов постоянно выдерживать зазор между первым рабочим диском и внутренней стенкой корпуса.
Преимущественные решения по настоящему изобретению будут даны ниже.
Фиг. 1 показывает вид сверху роторного двигателя в соответствии с данным изобретением;
Фиг. 2а показывает верхнюю часть роторного двигателя по настоящему изобретению;
Фиг. 2b показывает вид в разрезе роторного двигателя, показанного на Фиг. 2а;
Фиг. 3а и 3b показывают виды в разрезе роторной камеры, используемой по настоящему изобретению;
Фиг. 4а, b, c, d, е показывают горизонтальные проекции роторного двигателя, показанного на Фиг. 2а, для иллюстрации работы роторного двигателя на различных фазах 1-5 соответственно;
Фиг. 5а показывает вид сверху роторного двигателя по настоящему изобретению;
Фиг. 5b показывает вид в разрезе роторного двигателя, показанного на Фиг. 5а;
Фиг. 6а показывает вид сверху роторного двигателя по настоящему изобретению;
Фиг. 6b показывает вид в разрезе камеры преобразования энергии роторного двигателя на Фиг. 6а;
Фиг. 7 показывает диаграммы кривых давления в роторном двигателе по настоящему изобретению;
Фиг. 8а показывает схематическое изображение поперечного сечения и роторного двигателя по настоящему изобретению;
Фиг. 8b показывает схематическое изображение общего вида роторного двигателя по настоящему изобретению;
Фиг. 9 показывает вид сверху роторного двигателя по известному исполнению.
Перед тем как далее более детально объяснить суть данного изобретения со ссылками на чертежи, необходимо отметить, что одинаковые элементы на фиг. 1-9  будут иметь одинаковые цифры и будут даны повторяющиеся описания.
Фиг. 1 показывает роторный двигатель 100, выполненный по предлагаемому изобретению. Роторный двигатель 100 на фиг. 1 имеет корпус 110 с первой роторной камерой 120 и второй роторной камерой 130. Первый ротор 150 расположен в роторной камере 120. Второй ротор 160 расположен во второй роторной камере 130. Первый ротор 150 имеет пару клапанов, состоящих из первой пластины клапана 170 и второй пластины клапана 180, свободно вращающихся там. Отверстия для первого клапана 170 и второго клапана 180 расположены в противоположных местах. Расстояние от поверхности 122 первой роторной камеры 120, т.е. от внутренней поверхности корпуса до противоположной поверхности 152 первого ротора 150 меняется таким образом, что образуется сужение 190 между поверхностью 152 и внутренней стенкой корпуса или поверхностью 122 первой роторной камеры 120. Первая роторная камера 120 соединяется со второй роторной камерой, например, через первый канал 192 и через второй проход 194, расположенные в сужении 190. Ротор 160 расположен во второй роторной камере 130 и через уплотнение соединен с поверхностью второй роторной камеры 130. Ротор 160 может иметь одну или более полость 162. Рабочая среда, например газ, может находиться в первой роторной камере 120 и во второй роторной камере 130.
Клапанная заслонка иногда может называться клапанной пластиной или пластинчатый клапан в следующих случаях:
Оба пластинчатых клапана 170, 180 совместно с сужением 190 образуют отдельные рабочие камеры А и В в первой роторной камере 120. Как пример воздух используется в качестве рабочей среды, но, конечно, может использоваться любая газовая смесь. При вращении первого ротора 150, которое происходит под действием сжатого воздуха или электростартера, первый пластинчатый клапан 170 и второй пластинчатый клапан при повороте отходят от ротора 150 и таким образом герметично контактируют с внутренней поверхностью корпуса 110 и/или поверхностью 122 первой роторной камеры. При вращении первого ротора 150 воздух, находящийся в рабочей камере А, сжимается первым пластинчатым клапаном 170. Благодаря форме пластинчатого клапана 170 сжатие воздуха в рабочей камере А увеличивает противодавление, приложенное к первому пластинчатому клапану 170, а герметичный контакт первого пластинчатого клапана 170 с поверхностью 122 первой роторной камеры 120 приводит к повышению давления. Сужение 190 имеет такую форму, что оно либо не проницаемо для воздуха либо проницаемо в очень малой степени, и поэтому воздух, сжатый в рабочей камере А, продавливается через канал 192 и клапан 170 во вторую роторную камеру 130. Второй ротор 160 расположен во второй роторной камере 130 и соединен с первым ротором 150, например, при помощи зубчатого ремняЮ и вращение первого ротора 150 приводит к вращению второго ротора 160 в том же направлении, угловая скорость вращения обоих роторов одинакова. Благодаря герметичному контакту второго ротора 160 с внутренней стенкой корпуса второй роторной камеры 130сжатый первым клапаном 170 воздух и выходящий из рабочей камеры А может поступать только в полость 162 второго ротора 160. Чтобы сжатый воздух мог поступать в полость 162, проход в полости 162 развернут лицевой стороной к каналу 192 непосредственно до места прохождения первым клапаном 170 канала 192. В момент прохождения первым клапаном 170 канала 192, второй ротор 160 уже повернут на такой угол, что сжатый воздух в полости 162 герметично заперт между поверхностью полости 162 и поверхностью второй роторной камеры 130; другими словами, воздух не может перетекать назад во вторую роторную камеру 130 через канал 192. Воздух, находящийся в полости 162, нагревается из-за роста давления и уменьшения объема, далее он может быть нагрет, например, подводом тепловой энергии; другими словами, воздух во второй роторной камере 130может дальше получать энергию. Следовательно, вторая роторная камера 130 также считается камерой 130, поглощающей энергию. Отличие роторного двигателя 100 по данному изобретению от известных роторных двигателей состоит в том, что, по крайней мере, при половине или более поворота второй ротор 160 поглощает энергию в камере поглощения 130 и/или во второй роторной камере 130. Для освобождения тепла воздуха, сжатого в полости 162, во второй роторной камере 130 или энергопоглощающей камере может быть использовано нагревание. При приложении тепла к постоянному объему воздуха будет повышаться давление этого воздуха из-за термодинамических процессов. Как только второй клапан 180 минует проход 194, полость 162 соединяется с проходом 194 при вращении второго ротора 160. Сжатый под большим давлением в полости 162 воздух резко выходит, выполняет работу и заставляет первый ротор 150 двигаться, прикладывая давление ко второму клапану 180. На второй клапан 180, расположенный в противоположном месте по отношению к первому клапану 170, воздействует повышенное давление выходящего сжатого воздуха и прижимает его к внутренней поверхности 122 корпуса первой роторной камеры 120 с повышенной силой из-за формы клапана, аналогичной форме первого клапана 170, при этом герметичность еще больше возрастает. Расширение газа и выполняемая работа происходит в рабочей камере В первой роторной камеры 120. Благодаря расширению воздуха в рабочей камере В, воздух автоматически сжимается в рабочей камере А и в результате циклический процесс вновь начинается.
Кроме увеличения герметичности и, как следствие, увеличения КПД роторного двигателя 100 по сравнению с ранее известными роторными двигателями, прямой общий контакт роторов 150, 160 может быть исключен при расположении второго ротора 160 во второй роторной камере 130, отдельно от первой роторной камеры 120; в результате износ и задиры, вызванные истиранием роторов 150, 160, могут снизиться во много раз и можно избежать применения дорогостоящего износостойкого покрытия на поверхностях роторов 150, 160. Роторы 150, 160, кроме того, могут быть выполнены в виде цилиндрических роторных тел, которые в отличие от эллиптических роторов, которые тоже можно использовать, приводят к удешевлению производства, и эти роторы 150, 160 вращаются с малыми вибрациями благодаря отсутствию дисбаланса.
Роторный двигатель 100, показанный на фиг. 1, требует меньше обслуживания и стоит меньше, чем известные роторные двигатели, и благодаря использованию оппозитных клапанов 170, 180 его способ работы более эффективен, чем известные роторные двигатели.
В дальнейшем исполнении первый ротор 150 может иметь клапанные полости 250 для жесткой установки клапанов 170, 180 и эти клапаны образуют жесткие пары с поверхностями первого ротора 150, когда они загнуты и установлены внутрь к корпусу первого ротора 150.
Хотя второй ротор 160, показанный в роторном двигателе 100, имеет полость 162, есть возможность при дальнейшем изготовлении создать множество полостей 162, распределенных на роторе 160 независимо друг от друга.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 1, есть только одна пара клапанных пластин, установленных в первом клапане 170 и во втором клапане 180 на первом роторе 150, при дальнейшем изготовлении по настоящему изобретению можно установить множество клапанных заслонок на первом роторе 150. В сочетании с множеством полостей 162, расположенных на втором роторе 160, термодинамический циклический процесс может быть повторен несколько раз во время поворота двух роторов 150 и 160.
Хотя в роторном двигателе 100 на фиг. 1 показана только одна вторая роторная камера 130, которая имеет второй ротор 160, расположенный в этой камере, дальнейшие модификации могут иметь несколько вторых рабочих камер 130 с установленными в них роторами 160.
Необходимо отметить, что второй ротор 160 изготавливается из материала с низкой теплопроводностью, например керамики.
В варианте изготовления по настоящему изобретению зазоры двух заслонок клапанов 170, 180 должны быть минимальными (например, менее 30° или менее 10° или даже менее 2°) по отношению к окружности первого ротора 150. Желательно, чтобы соединение полости 162 на втором роторе 160 с первым каналом 192 перекрывалось, когда заслонка первого клапана 170 проходит канал 192, чтобы получить как можно большее сжатие. Соответственно желательно соединить полость 162 с проходом 194 сразу же после прохождения пластины второго клапана 180 через проход 194, чтобы образовать как можно больший сектор расширения.
В дальнейших вариантах исполнения настоящего изобретения первый ротор и/или второй ротор могут быть выполнены в виде цилиндров, что приводит к упрощению изготовления роторов и снижению стоимости изготовления всего роторного двигателя.
Пластина первого клапана 170 и пластина второго клапана 180 могут иметь износостойкое покрытие (например, титан), что позволяет получить долгий срок службы клапанных пластин и низкие эксплуатационные расходы. Вообще говоря, предусмотрен вариант работы без смазки.
С целью дальнейшего увеличения контактного давления пластин клапанов 170, 180 к граничной (контактной) поверхности 122 первой роторной камеры 120 пластины клапанов 170, 180 могут быть изготовлены, например, серповидной формы, тогда их контактное давление к поверхности 122 увеличивается, при приложении давления к клапанам 170, 180 и таким образом достигается большая герметичность.
На фиг. 1 показан роторный двигатель 100 с корпусом 110, выполненным в едином целом (например, литой), в дальнейших вариантах реализации настоящего изобретения корпус 110 может быть выполнен из нескольких частей, например двух, которые соединены герметично, с учетом рабочей среды, находящейся в роторных камерах.
На фиг. 1 показан роторный двигатель 100, который может иметь стартерное устройство, которое позволяет запускать первый ротор 150 и соединенный с ним второй ротор 160. Стартерное устройство может быть электрическим, соединенным с аккумулятором, таким же, как стартер двигателя внутреннего сгорания, например, автомобиля.
Также для роторного двигателя 100 имеется возможность работать от емкости со сжатым воздухом, который используется для запуска двигателя. В этом случае сжатый воздух направляется в первую роторную камеру 120, что приводит к пуску двигателя. Сжатый воздух высокого давления, хранящийся в резервуаре, может подаваться туда от роторного двигателя 100, например, во время предыдущих циклов работы двигателя 100.
Варианты исполнения по настоящему изобретению могут иметь на пластинах клапанов 170, 180 установленные пружины, чтобы кланы 170, 180 находились в контакте с поверхностью 122 первой роторной камеры 120 даже в состоянии покоя первого ротора 150.
При дальнейшем конструктивном исполнении пластины клапанов 170 и 180 ротора 150 могут иметь одинаковую длину с ротором 150 по оси вращения 240 ротора 150.
В соответствии с конструктивным решением пластины клапанов 170, 180 могут быть установлены в полости 220 клапанов, при этом, с одной стороны, они могут проходить сужение 190 ротора 150 и внутренний цилиндр, т.е. поверхность 122 роторной камеры 120 без какого-либо сопротивления с жестким наружным контуром ротора, а с другой стороны, они установлены на осях по окружности ротора, таким образом, что свободный конец пластины клапанов 170, 180 скользит по внутренней поверхности 122 рубашки цилиндрического корпуса 110 под действием центробежных сил или под действием пружины.
Фиг. 2а показывает вид сверху роторного двигателя 200 в соответствии с конструкторским решением по настоящему изобретению.
Фиг. 2b показывает вид в разрезе роторного двигателя 200, показанного на Фиг. 2а. Роторный двигатель 200 будет описан при помощи Фиг. 2а и 2b в терминах конструкции и способа работы.
Корпус 110, который здесь разработан в виде цилиндрической трубы с кожухом охлаждения, образует первую роторную камеру 120, которая здесь спроектирована в виде полости, герметизированной фланцами 210 на концевых поверхностях, с расположенным эксцентрично первым ротором 150, изготовлен ротор 150 специально малого диаметра с таким расчетом, чтобы было почти полное контактное примыкание к внутренней цилиндрической поверхности 122 трубы корпуса 110. Полость роторной камеры 120, в свою очередь, разделена на несколько рабочих камер А, В, С, D через углы поворота при помощи клапанов 170, 180, расположенных попарно в зеркально обратном порядке и показанных как пластины клапанов 170, 180. Указанные пластины клапанов 170, 180 расположены в роторе 150 в полостях 220 клапанов, при этом, с одной стороны, они могут проходить сужение 190 ротора 150 и внутренний цилиндр, т.е. поверхность 122 роторной камеры 120 без какого-либо сопротивления жесткого наружного контура ротора, а с другой стороны, они установлены на осях по окружности ротора, таким образом, что свободный конец пластин клапанов 170, 180 скользит по внутренней поверхности 122 рубашки цилиндра корпуса 110 под действием центробежных сил или под действием пружины.
Во время вращения ротора,образуются постоянно меняющиеся, но всегда очень герметичные для рабочей среды, являющейся рабочим газом или газовой смесью, рабочие камеры А, В, С, D между сужением 190 (корпусом ротора 150 и трубой цилиндра с кожухом корпуса 110) и клапанами 170, 180, каждый из которых обращен к поверхности сужения 190. Свободное пространство между двумя пластинами клапанов 170, 180 и поверхностью сужения 190 не влияют на работу.
По возможности, как можно ближе к сужению 190 располагают вторую роторную камеру 130, которая сделана цилиндрической полостью и она имеет меньшие размеры, чем цилиндрическая труба с кожухом корпуса 110. По обеим сторонам сужения 190 цилиндрическая полость 130 соединена с каналами 192, 194, малого диаметра, которые ниже указаны как каналы 192, 194, чтобы образовать угловую конструкцию, включающую в себя рабочие камеры А и В. Небольшая полость второй роторной камеры 130 действует как энергопоглощающая камера, если роторный двигатель 200 является мотором, но эта полость становится камерой выхода энергии, если роторный двигатель 200 является тепловым насосом.
Малая полость будет также считаться энергопоглощающей камерой или выходной камерой энергии в следующих случаях.
Энергопоглощающая камера имеет второй поворотный ротор 160, хорошо герметизированный, и здесь показан как сборка 160, снабженная специфическими полостями 162а, 162b, разделяющими энергопоглощающую камеру на две равные половины; она отделяет одну половину энергополощающей камеры от роторной камеры 120, и соединяет вторую половину этой камеры с рабочими камерами А, В, С, D поочередно при помощи синхронизированного с ротором 150 вращения, в зависимости от варианта применения, таким образом, что указанная половина энергопоглощающей камеры или заполняется рабочим газом,или опустошается. Во время фазы, где одна половина энергопоглощающей камеры отделена от роторной камеры 120, поглощение энергии происходит в малом сжатом пространстве, т.е. в полостях 162а, 162b или энергия выводится наружу. Поглощение энергии происходит в тех случаях, когда роторный двигатель 200 используется как мотор, а вывод энергии происходит, когда роторный двигатель 200 работает как тепловой насос.
По существу дела, мотор может работать в любом направлении вращения. Для детального описания рассматривается вариант вращения против часовой стрелки.
Для сокращения в следующем случае будем использовать только понятие «ротор».
Ротор 150 расположен на оси в корпусе 110 таким образом, что почти касается корпуса 110 в сужении 190 между каналами 192 и 194. Сужение 190 может быть выполнено, например, как нижнее сужение 190. Напротив этого сужения может быть расположено еще одно сужение, когда требуется перемена газового наполнения и/или среды в зависимости от вида работы - в зависимости от конфигурации роторного двигателя 200, который здесь выступает в роли мотора. Как было показано выше, ротор 150 имеет на своей поверхности два противоположно расположенных пластинчатых клапана 170, 180, которые имеют одинаковые размеры и обращены один к другому, и на роторе 150 имеется шарнирная опора, расположенная в изогнутом утолщении соответственно, и пластины скользят свободными концами по внутренней поверхности 122 полости роторной камеры 120 под действием центробежной силы и/или под действием пружины. Когда пластины клапанов 170 и 180 упираются в ротор 150 и разворачиваются внутрь к полостям 220 клапанов, они образуют замкнутый контур вместе с ротором 150. Пластины клапанов 170 и 180 имеют одинаковый осевой размер с ротором 150 по оси вращения 240 ротора 150. В направлении по оси вращения 240 полость роторной камеры 120 закрывается фланцевой плитой 210 в каждом случае. При вращении ротора 150 происходит разделение полости или роторной камеры 120 на частичные рабочие камеры А, В, С, D, которые или увеличиваются или уменьшаются в размерах, в зависимости от направления вращения. Эти камеры образуются попеременно с пластинами клапанов 170, 180, скользящих вдоль наружной поверхности 122, которая здесь обозначена как поверхность полости 122.
В кратком виде частичная роторная камера может образовываться в следующем случае.
При уменьшении в размере образуется давление, например, в частичной камере А, частичная камера В будет служить для расширения, частичные камеры С и D будут образовывать общую камеру, если верхнее сужение, т.е. сужение противоположное сужению 190, не существует. Газ, содержащийся в частичных камерах С и D, только перемещается.
В этом контексте необходимо заметить, что в других конструкторских решениях первое сужение 190 может быть выполнено как нижнее сужение, расположенное в нижней части роторного двигателя 200, а второе сужение, противоположное к первому сужению 190, может дополнительно располагаться как верхнее сужение в верхней части роторного двигателя 200.
В конструкциях, где требуется верхнее сужение, оно будет иметь два отверстия, расположенных рядом для удаления продуктов горения (из частичной камеры С), например через верхнее отверстие и для подачи свежего воздуха (в частичную камеру В), например, через нижнее отверстие. Частичные камеры С и D в этом случае не смогут образовать общей камеры.
Фиг. 3а и 3b показывают разрезы роторной камеры 130, как она может быть выполнена по настоящему изобретению, например, в виде энергопоглощающей камеры роторного двигателя 200. Множество узких каналов 192 и 194 ведет к низлежащей роторной камере 130 в виде цилиндрической камеры, т.е. энергопоглощающая камера, заполненная поворотной сборкой, которую можно назвать клапанной сборкой, расположена очень близко к нижнему сужению 190 роторного двигателя 200. Клапанная сборка вращается синхронно с ротором 150 при помощи зубчатого ремня 230, как показано на фиг. 2b, и вращается против часовой стрелки.
В зависимости от области применения клапанная сборка 160 и роторная камера 130 или энергопоглощающая камера имеют полости 162а, 162b разных по объему форм, которые разделяются по длине сборки, например, на два одинаковых объема, расположенных точно друг против друга по отношению к поверхности сборки. Как было описано выше, это приводит к образованию двух половин камер и соответственно к двум циклам сжатия, двум циклам расширения и двум циклам поглощения за один поворот. В моделях со вторым сужением, которое расположено против первого сужения 190, например, имеются два цикла выхлопа и два цикла впуска свежего воздуха. Для улучшения теплопередачи во время цикла поглощения энергии в полукамере энергопоглощающая камера может иметь канавки 310, показанные на Фиг. 3а, увеличивающие теплопередачу в камере 130. Канавки 310 совпадают по окружности только частично со сборкой 160, т.е. они не распространяются по всей поверхности сборки.
Фиг. 4а, b, c, d, е показывают вид сверху роторного двигателя 200, показанного на Фиг. 2а, чтобы проиллюстрировать фазы работы роторного двигателя 200. Когда соответствующая полость 162а проходит канал 192, полость 162 заполняется через пластинчатый клапан 170 первой пары клапанов сжатым воздухом из частичной камеры А. Когда клапанная сборка 160 поворачивается дальше, полость 162а отсоединяется от частичной камеры А и образует, примерно, за пол-оборота закрытую камеру (которая имеет постоянный объем), в которую вводится энергия и в которой образуется высокое давление. Когда полость 162а достигает проходов 194, ротор 150 вместе со связанными с ним пластинчатыми клапанами 170, 180 (вторая пара в этом случае) располагается по направлению вращения, за проходами 194. Горячий рабочий газ вытекает из полости 162а в рабочую камеру В, где выполняет работу. Другими словами, из-за высокого давления рабочий газ перетекает в роторную камеру 120, где он давит на пластинчатый клапан 180 второй пары клапанов и этот клапан 180 передает давление на ротор 150 и таким образом совершает работу. По аналогии этот принцип используется в полости 162b, воздух из пластинчатого клапана 170 второй пары клапанов подается в полость 162b, а воздух, вытекающий из полости 162b, давит на клапан 180 второй пары клапанов.
Роторный двигатель, показанный на фиг. с 2а по 4, может быть сконструирован, например, как мотор горячего газа или как двигатель горячего газа. В этом контексте энергия, например тепло, может подаваться к рабочей среде снаружи, нагревая энергопоглощающую роторную камеру по теплопроводу; по существу, может быть использован любой значительный источник тепла, использующий известные виды топлива (полученных из ископаемых или возобновляемых источников) или концентрированной солнечной энергии, тепло от атомных станций или технологическое тепло (отходящее тепло). В этом случае всегда будет получен рабочий газ или рабочая среда в роторной камере 120 и энергопоглощающей роторной камере 130. Как это происходит в хорошо известных тепловых двигателях, рабочий газ можно использовать с большим исходным давлением для получения увеличения энергетической плотности. Конверсия энергии происходит на конечной стадии, за счет расширения рабочего газа в энергопоглощающей камере давление увеличивается и выполняет механическую работу при освобождении роторной камеры 120. В отличие от возвратно-поступательных двигателей, результат хода рычага, сила сжатия и угол вращения - наиболее важные параметры, т.к. в большинстве случаев имеется постоянный ход рычага для выполнения работы в начале цикла расширения. В отличие от возвратно-поступательных двигателей и двигателей внутреннего сгорания, при опустошении роторной камеры 120 происходит меньшая потеря тепла и она сохраняется в рабочем цикле. Поэтому требуется механически нагружать двигатель или роторный двигатель в оптимальном варианте, чтобы получить от него лучший КПД. Количество непреобразованной энергии на внешнем корпусе роторного двигателя может быть использовано для целей отопления. Описанный принцип относится к двигателям горячего газа, т.к. тепловая энергия поступает снаружи через теплообменник к рабочей среде внутри энергопоглощающей камеры. Однако следует отметить, что этот принцип ни в коем случае не относится к двигателям Стерлинга, у нас нет внутреннего теплообменника и нет взаимодействующих силовых цилиндров.
Фиг. 5а показывает вид сверху роторного двигателя 500 в соответствии с вариантом исполнения данного изобретения. Роторный двигатель 500 сконструирован как двигатель внутреннего сгорания со специфическими особенностями исполнения, описанными ниже. Роторный двигатель 500 имеет значительные отличия от роторного двигателя 200. Первое отличие состоит в том, что роторный двигатель 500 имеет второе сужение 510, расположенное напротив первого сужения 190, и имеет входное отверстие 520 для газа и выходное отверстие 530 для газа. Второе отличие между роторным двигателем 500 и роторным двигателем 200 состоит в том, что в роторном двигателе 500 есть линия подачи топлива 540, например топливный инжектор, сконструированный таким образом, чтобы впрыскивать топливо в полости 162а, 162b клапанной сборки 160. Третье важное отличие между роторным двигателем 500 и роторным двигателем 200 состоит в том, что полости 162а, 162b в клапанной сборке 160 имеют больший объем, но не имеют канавок на поверхности цилиндра энергопоглощающей камеры.
Другими словами, роторный двигатель 500 может быть сконструирован как двигатель внутреннего сгорания, когда разные летучие или газообразные виды топлива сгорают внутри половин камер. Топливо вводится в отмеренных объемах во время фазы, когда соответствующая половина камеры отделена от роторной камеры 120. Путем тщательного подбора степени сжатия между половинкой рабочей камеры можно провести балансирование соответствующей части рабочей камеры и камеры сгорания, имеющей систему зажигания, например, в виде свечей зажигания. Проблемы детонации, известные в двигателях внутреннего сгорания, например, когда применяемое топливо имеет слишком низкое октановое число, могут быть устранены в роторном двигателе 500 путем использования вышеописанных устройств.
Второе сужение 510, которое расположено внутри полости 220 клапанов, напротив первого сужения 190, служит для разделения выхлопа продуктов сгорания через отверстие 530 с впуском свежего воздуха через отверстие 520. Соответствующие выходные 530 и входные 520 отверстия, которые расположены рядом со вторым сужением 510, создаются или на рубашке цилиндра корпуса 110 или на фланце 210. В роторном двигателе 500, показанном на фиг. 5а, воздух входит через отверстие 520, сжимается при помощи одного из клапанов 170 (который расположен первым по ходу вращения) и впрыскивается в одну из полостей 162 клапанной сборки 160 через канал 192. Во время компрессии свежего воздуха или газа температура свежего воздуха или газа повышается из-за повышения давления и уменьшения объема. Когда клапан 170 минует канал 192, сжатый свежий воздух или газ находится в полости 162 клапанной сборки 160. Топливо подается через линию подачи топлива 540 и это топливо впрыскивается в полость 162, где сразу же воспламеняется из-за высокой температуры сжатого газа, что приводит к возникновению очень высокого давления в полости 162. Когда один из клапанов 180 (тот клапан, который проходит последним по ходу вращения) минует проход 194, то полость 162 соединяется с проходом 194 через соединение ротора 150 и клапанной сборки 160. Газ под сверхвысоким давлением начнет расширяться и затем сбросит давление на пластину клапана 180, выполнит работу и повернет ротор 150. Благодаря серповидной форме пластин клапанов пластина клапана 180 прижимается к поверхности 122 рабочей камеры под действием давления и обеспечивает, таким образом, герметизацию соответствующей части рабочей камеры. Когда пластина клапана 180 минует выходное отверстие 530, расширяющийся газ или продукты сгорания выходят из роторного двигателя 500. Цикл начинается вновь.
Следует отметить еще раз, что в роторном двигателе 500, являющемся двигателем внутреннего сгорания, показанном на Фиг. 5а и 5b, полости 162 в клапанной сборке 160 выполнены достаточно глубокими. Соответственно горение проходит в определенном месте, т.е. в полостях 162.
Показанные принципы совершенно точно определяют, что поглощение энергии происходит в отдельном пространстве, которое может быть закрытым, например внутри энергопоглощающей камеры вне роторной камеры 120, и для этого есть значительный промежуток времени, почти половина поворота ротора 150. Есть значительные преимущества по сравнению с известными поршневыми двигателями, например газовыми двигателями, двухтактными двигателями и дизельными двигателями. В этих двигателях есть только несколько угловых минут для расширения энергии вокруг верхней мертвой точки. Соответственно сгорание не полное. Это, в частности, относится и к двигателям Ванкеля, в которых процессы горения ухудшаются из-за того, что при высокой компрессии отношение площади поверхности к объему очень плохое. Рабочая поверхность газа сформирована контактом с металлическими поверхностями, поперечным сечением цилиндра и поршня. Понятно, что эти поверхности, в которых находится закрытый объем воздуха, близки к металлу и не обеспечивают идеальных условий горения для топлива из-за высокой теплопроводности металла.
В упомянутой камере 130 эта картина совершенно обратная, там соотношение объем/поверхность является постоянным, определяемое только геометрией полости 162 в клапанной сборке 160, и не меняется при вращении. С другой стороны, эта сборка 160 может быть изготовлена из материала с низкой (как можно ниже) теплопроводностью, например керамики.
Фиг. 6а показывает вид сверху роторного двигателя 600 по данному изобретению. Фиг. 6b показывает разрез камеры 130 роторного двигателя 600. В этом варианте роторный двигатель 600 сделан как солнечный двигатель. Роторный двигатель 600 в варианте солнечного двигателя имеет увеличение в объеме камеры 130 в виде трубок 610 очень малого поперечного сечения. Эти трубки 610 желательно согнуть U-образной формой и расположить таким образом, чтобы каждое колено расположилось в фокальной плоскости параболических зеркал, которые располагаются попарно с каждой стороны солнечного двигателя на соответствующей площади. Объем, образованный внутренним сечением и длиной U трубок 610, т.е. удлиненная камера 130, должен быть таким, чтобы в нем образовалась достаточная компрессия, учитывая размер роторной камеры 120 роторного двигателя или двигателя 600. С другой стороны, необходимо обеспечить условия, чтобы сопротивление потоку внутри труб 610 не стало слишком большим, иначе энергия будет потеряна во время заполнения и опустошения трубок 610, т.е. камеры 130.
Полости 162 в клапанной сборке 160 двигателя 600 имеют такие размеры, что при вращении первого ротора 150 сжатый газ перетекает свободно прямо в трубки 160 через полость 162 и канал 192. Газ, который находится в гнутых трубках 610, нагревается, например, солнечной энергией, давление внутри гнутых трубок 610 растет. Газ под высоким давлением может поступать назад, из трубок 610 через полость 162 в роторную камеру 120, т.к. пластина клапана 180 уже прошла проход 194, где он расширяется и выполняет работу, приводя в движение ротор 150.
Фиг. 7 показывает три диаграммы давлений, образующихся за один полный оборот роторного двигателя, выполненного по настоящему изобретению. Роторный двигатель дает информацию о работе двух пар клапанов по разделению роторной камеры 120 на четыре частичные рабочие камеры А, В, С, D. Кроме того, клапанная сборка 160, используемая в роторном двигателе, имеет две независимые полости 162а, 162b, которые могут быть, например, расположены на разных высотах клапанной сборки 160, как показано на Фиг. 2b, или они могут проходить по окружности клапанной сборки 160 и размещаться в противоположных местах. Оси абсцисс диаграммы, данной на Фиг. 7, показывают положение двух роторов в градусах. Ось ординат показывает давления в двух верхних частях и контролирует положения в нижней части. Кривая давления в частичных рабочих камерах А, В, С, D разнесены в центральную и верхнюю диаграммы для большей наглядности. Нижняя диаграмма дает информацию о том, соединена ли полость 162а или 162b с каналом 192 или 194.
В фазе I полость 162b соединена с проходом 194. Сжатый газ под высоким давлением содержится в полости 162b и скачкообразно выходит в частичную рабочую зону В и совершает там работу. Это ясно видно по давлению в частичной рабочей зоне В, которое вначале резко растет, затем падает.
В фазе II полость 162b соединена с каналом 192. Пластина клапана 170 сжимает газ в частичной рабочей зоне А и продавливает его в полость 162b. Это ясно видно по повышению давления в рабочей зоне А.
В фазе III полость 162а соединена с проходом 194. Нагретый под высоким давлением газ содержится в полости 162а и скачкообразно выходит через проход 194 в частичную рабочую зону D. По аналогии с фазой I это ясно видно по увеличению давления в частичной рабочей зоне D и соответствующее падение давления, когда газ выполняет работу. Параллельно с газом, выполняющим работу, газ, который был продавлен в полость 162b в фазе II, снабжен энергией, например нагрет в полости 162b. Это приводит к росту давления в полости 162b, что видно по пунктирной линии на верхней диаграмме.
В фазе IV полость 162а соединена с каналом 192. Газ сжимается пластиной клапана 170 в частичной рабочей зоне С и продавливается в полость 162а. Параллельно с этим процессом газ, содержащийся в полости 162b, продолжает получать энергию, например тепло, что приводит к дальнейшему росту давления в полости 162b, что ясно показано пунктирной линией на верхней диаграмме.
За фазой IV затем следует опять фаза I. По аналогии с подачей энергии к газу, содержащемуся в полости 162b во время фаз III и IV, это же происходит во время фаз I и II с газом в полости 162а. Это аналогично верхней диаграмме и показано пунктирной линией на центральной диаграмме.
Фиг. 8 показывает роторный двигатель 800, выполненный по данному изобретению. Роторный двигатель 800 выполнен как солнечный двигатель. Роторный двигатель 800 выполнен в фокальной плоскости половин параболических зеркал 820 таким образом, что свет, попадающий на параболическое зеркало 820, фокусируется на энергопоглощающую камеру роторного двигателя 800. Для улучшения поглощения тепла корпус 110 имеет оребренную поверхность 810, окружающую энергопоглощающую камеру. Оребренная поверхность 810 увеличивает площадь поверхности, на которую воздействует свет, и таким образом улучшается поглощение тепла от сфокусированного параболического зеркала 820 и увеличивается КПД. Второй ротор 160, как было описано выше, находящийся в энергополощающей камере, может иметь множественные полости 162, которые распределены по длине второго ротора 160 и не соединены между собой, тогда как пластины 170, 180, расположенные на первом роторе 150 в первой роторной камере 120, идут по всей длине ротора 150. Генератор 830, окружающий корпус 110 роторного двигателя 800, может генерировать энергию, например, в виде струи сжатого воздуха и/или тепла, генерированного при вращении роторного двигателя 800.
В соответствии с этим изобретением тепло, генерированное в роторном двигателе 800, может отводиться, например, через патрубки на корпусе 110 для дальнейшего использования.
Характер работы роторного двигателя 800 аналогичен характеру работы роторного двигателя 200, показанного на Фиг. 2а и 2b, энергия поглощается во второй роторной камере 130, эта энергия образуется от нагрева светом, сфокусированным параболическими зеркалами 820. Тепло, образованное на профилированной поверхности 810, передается носителю в полостях 162 и нагревает его, давление в полостях 162 растет, как было описано выше.
Другой вариант использования может быть в виде теплового насоса. В этом случае при возрастающем давлении тепло может передаться другой текучей среде при помощи теплообменников. Так же, как в роторной камере 120 роторного двигателя 500, показанного на Фиг. 5, роторная камера 120 имеет второе сужение на противоположной стороне, которое служит для подачи рабочего газа во внутренние теплообменники для поглощения энергии. Этот принцип может использоваться как тепловой насос или как система охлаждения.
Другой вариант использования настоящего изобретения может быть в виде компрессора, в котором получаемое тепло может использоваться в целях обогрева.
Другой вариант использования может быть в виде двигателей, работающих на сжатом воздухе, поступающем от воздушного ресивера. Двигатели на сжатом воздухе могут использоваться, например, в автопогрузчиках, работающих на сжатом воздухе и имеющих большее рабочее время, чем работающих от аккумуляторных батарей, при одинаковой подъемной силе. Они не имеют выбросов, как дизельные или газовые подъемники. Роторная камера 120 роторного двигателя 500 показана на Фиг. 5. Энергопоглощающая камера будет работать как клапан между роторной камерой 120 и воздушным ресивером только когда выполняется работа или идет активное торможение. Во время рабочей фазы сжатие может перенаправляться в атмосферу или в другой резервуар давления, который пока пустой. Отработанный воздух из рабочей камеры сбрасываться только в атмосферу, в отличие от отработанного газа в роторном двигателе 500. Если имеются затруднения в компрессии, роторный двигатель может быть модернизирован путем закрытия стороны впуска и в этом случае не возникнет какой-либо заметной компрессии, противодействующей работе расширения.
Суммируя, можно сказать, что настоящее изобретение может использоваться, например, как двигатели горячего газа, двигатели внутреннего сгорания, солнечные двигатели, тепловые насосы, компрессоры, двигатели на сжатом воздухе или другие роторные двигатели.
При применении в качестве двигателей внутреннего сгорания полости на клапанной сборке делаются заметно глубокими. Соответственно горение здесь происходит в определенном пространстве, например в энергопоглощающей камере.
При применении в качестве двигателей горячего газа, солнечных двигателей, тепловых насосов, компрессоров или двигателей на сжатом воздухе полости на клапанной сборке могут быть спроектированы очень плоскими и будут служить только для перенаправления газа, заполняющего полости, расположенные вокруг клапанной сборки в частично цилиндрической камере. Материал изготовления этой камеры должен иметь хорошую теплопроводность, т.к. энергия подводится снаружи, например, в случае использования в качестве двигателей горячего газа, и/или выбрасывается наружу, например, в случае использования в качестве тепловых насосов.
Суммируя изложенное, можно сказать, что варианты использования данного изобретения имеют большую герметичность благодаря использованию пластинчатых клапанов для компрессии носителя и благодаря специфической форме конструкции клапанов, при этом они достигают большего КПД по сравнению с роторными двигателями, известными до настоящего времени из-за постоянного большого хода рычага.
Вдобавок простая базовая конструкция и малое количество деталей обещает значительное снижение стоимости по сравнению с известными до настоящего времени роторными двигателями.
Кроме того, дальнейшие разработки могут привести к снижению стоимости изготовления и низким эксплуатационным расходам благодаря применению цилиндрических рабочих тел в раздельных роторных камерах, без какого-либо контакта двух роторных тел.