Роторно-поршневой двигатель - RU2410553C2

Чертежи

Показать все 22 чертежа(ей)

Описание

Изобретение предлагает двигатель, в котором технология вращательного ротора новым и идеальным образом соединена с технологией поршня возвратно-поступательного движения.

По сравнению с известными двигателями внутреннего сгорания данное изобретение характеризуется:

- лучшими эксплуатационными параметрами;

- уменьшением потерь энергии;

- уменьшением потребления при тех же эксплуатационных параметрах;

- уменьшением загрязнения окружающей среды при использовании обычных топлив;

- лучшими эксплуатационными параметрами при одинаковых размерах двигателя и виде топлива;

- реализацией более подходящей камеры сгорания при использовании в качестве топлива водорода;

- большим вращающим моментом;

- при одинаковых эксплуатационных параметрах реализацией корпусов двигателей меньшего размера с более компактной конструкцией;

- упрощением технологии двигателя с вытекающим из этого уменьшением цены производства;

- уменьшением количества компонентов двигателя;

- упрощением сложности компонентов отдельного двигателя;

- более плавным и правильным функционированием;

- упрощением охлаждения компонентов двигателя;

- более эффективным расположением для смазки компонентов, которые двигаются;

- уменьшением потребления масла;

- уменьшением до минимума трения всей системы.

Перечисленные преимущества более детально описаны и уточнены в следующем описании.

Касаясь состояния вопроса, в описании рассмотрены два типа двигателей: традиционный поршневой двигатель и роторный двигатель Ванкеля. Эти два двигателя, как к примеру двигатели по патентам US 3297006 и US 3447513 имеют подобные решения в части впуска воздуха и выпуска выхлопных газов. Для двигателя по заявленному изобретению, особенно в отношении 2-х тактной системы, эти известные решения служат аналогами, а именно впуск воздуха через каналы.

В двигателе по заявленному изобретению, как 4-тактной системе, используются клапана для впуска воздуха, а также для выпуска выхлопных газов, как в других двигателях (это является частью уровня техники). Эти клапана, применяемые в заявленном изобретении, являются встроенными в вращательный ротор и приводятся в действие новаторским способом. Никогда ранее они не применялись таким образом. Ни в патенте US 3297006, ни в патенте US 3447513 клапана не являются управляемыми. Применение управляемых клапанов позволяет уменьшить выбросы и увеличить мощность.

Сущность изобретения

Предложен роторно-поршневой двигатель, содержащий возвратно-поступательные поршни и вращательный ротор, размещенные в N-секционном корпусе, где N равно трем, четырем, шести, либо четному число, большему шести, причем вращательный ротор выполнен осесимметричным и, соответственно, N-секционным и установлен с возможностью его вращения вокруг собственной центральной оси, которая одновременно является осью симметрии двигателя, при этом активные поверхности ротора вместе с имеющими криволинейную форму активными поверхностями N одновременно работающих поршней прямоугольного сечения, обращенными к вращательному ротору, образуют N рабочих камер переменного объема, в которых рабочие циклы следуют друг за другом, как в двухтактном либо четырехтактном двигателе, и где продукты сгорания воздействуют на активные поверхности ротора, имеющие криволинейную форму, обеспечивающую создание вращательного момента относительно центральной оси ротора, который суммируется с вращательными моментами, возникающими вследствие перемещения поршней, кинематически связанных через кривошипно-шатунные механизмы с коленчатыми валами, которые синхронизируются при помощи зубчатой передачи с вращением ротора.

С целью облегчения понимания данного изобретения в описании использовались такие же понятия и определения, как для двигателя Ванкеля (Wankel) с ротационным поршнем, а также для четырехтактного двигателя с поршнем возвратно-поступательного движения.

Определения

Двигатель с поршнями возвратно-поступательного движения:

- В известных двигателях внутреннего сгорания с поршнями возвратно-поступательного движения поршень имеет цилиндрические детали, а его верхняя сторона образует подвижную стенку камеры сгорания. Он движется поступательно внутри цилиндрической полости (цилиндра).

- В данной реализации поршни возвратно-поступательного движения, которые движутся поступательно, имеют прямоугольное или квадратное сечение; верхняя сторона имеет волнообразную поверхность и является одной из подвижных и активных сторон камеры сгорания; профиль верхней стороны поршня рассчитывают математически согласно с точными геометрическими и кинематическими соотношениями. Эти "призматические" поршни движутся как и обычные поршни поступательно внутри призматической полости.

Вращательные роторы:

- В двигателе Ванкеля вращательный поршень, который также называют ротором, состоит из корпуса с двумя отведенными, треугольными сторонами; стороны такого треугольника, то есть результирующие стороны, имеют немного выпуклую поверхность. Этот корпус (ротационный или вращательный поршень) соединяют с валом эксцентрика, который приводят в движение путем вращения ротационного поршня.

- Вращательный ротор, описанный в новом применении, может быть вписан в круг и иметь 4, 6, 8 …, N (N - четное число) сторон. Торцы, которые отвечают этим сторонам, являются волнообразными, а их профиль может быть определен математически как функция профиля верхнего торца поршня возвратно-поступательного движения. Вращение происходит вокруг его собственной оси.

Камера сгорания:

- В двигателях с поршнем возвратно-поступательного движения камера для напускания газов/сгорания изготовлена в виде объема с цилиндрической полостью, в которой поступательно, в направлении оси цилиндра, может приводиться в движение цилиндрический поршень.

- В двигателе Ванкеля ротор движется внутри полости, верхняя и нижняя стенки которой имеют приблизительно форму восьмерки; диаметр вращательного ротора определяет высоту этой полости. Стороны ротора путем эксцентрического вращения ротора задают точную геометрию камеры сгорания. Отверстие между торцами ротора и восьмеркоподобным профилем контейнера может, как вариант, когда соответствующий объем изменен согласно с его функцией, служить камерой для напускания газов, сгорания и выбросов.

- В данной реализации камера сгорания или камера для напускания газов сконструирована на основе общего геометрического функционирования вращательного ротора при его вращении и призматического поршня возвратно-поступательного движения при его колебательном движении. Подобно двигателю Ванкеля, диаметр вращательного ротора, а также призматического поршня, отвечает высоте камеры сгорания. Верхний и нижний торцы камеры сгорания могут быть прикреплены к остальной камере, или, как вариант, могут вращаться как два диска, или как плоскостные конические зубчатые передачи, которые прикреплены к вращательному ротору. В этом случае боковые стенки, которые направляют вращательный ротор, представляют собой только фиксированную часть системы.

- Указанное решение использует центробежную силу, позволяя направлять масло на компоненты двигателя, которые нуждаются в нем больше всего, создавая в то же время условия для уменьшенного потребления масла по сравнению с двигателем Ванкеля.

Геометрическая форма разных компонентов двигателя:

Геометрическая форма разных компонентов двигателя может быть описана таким образом:

1. Вращательный ротор (ротор): расположен в центре системы и вращается вокруг своей собственной оси;

2. Поршни возвратно-поступательного движения: расположены радиально вокруг вращательного ротора (ротора); их количество отвечает количеству криволинейных поверхностей ротора (например, на Фиг.10 поршней возвратно- поступательного движения);

3. Ось поршней возвратно-поступательного движения может быть направлена или не направлена в сторону центра системы (теоретически профиль верхнего торца поршня может быть рассчитан для любого направления). Это значит, что наклон оси поршня возвратно-поступательного движения образует с касательной к кругу ротора в точке наклона угол меньший 90° {π/12).

4. Верхний торец поршня возвратно-поступательного движения направлен в сторону вращательного ротора; шатун каждого отдельного поршня возвратно-поступательного движения вращает свой собственный коленчатый вал (ведущий вал). Коленчатые валы размещены ближе к периметру системы.

Кинематические и геометрические соотношения между ротором и поршнем возвратно-поступательного движения:

Один оборот коленчатого вала в системе с четырьмя поршнями отвечает четверти оборота центрального ротора (в системе с шестью поршнями это отвечает одной шестой оборота и т.д.). В системе с четырьмя поршнями боковые стенки подвижной камеры поршня возвратно-поступательного движения перпендикулярны стенкам смежного поршня. Обобщая, можно сказать, что для случая n поршней угол наклона между поршнями равняется 2π/N (N - количество сторон (активных поверхностей) ротора). Таким образом, в системе с шестью поршнями возвратно-поступательного движения угол наклона между поршнями равняется 60° (2π/6), и т.д. Описанные здесь условия должны поддерживаться системой зубчатых колес с миллиметровой точностью. Вращательные роторы и поршни возвратно-поступательного движения могут касаться друг друга только немного или не касаться совсем.

ПРИМЕЧАНИЕ: Ротор 3 не имеет эксцентриситета, потому что давление сгорания топлива прикладывается и к волнообразным поверхностям ротора, и к волнообразным торцам двух смежных поршней возвратно-поступательного движения.

Математическое описание системы:

Перечисленные ниже формулы ясно описывают геометрию, которую должны иметь и торцы в форме дуги поршня возвратно-поступательного движения, и торцы вращательного ротора. Были написаны уравнения для описания систем с роторами, которые содержат от 4 до "N" торцов, а следовательно, и количество поршней от четырех до "N".

Эти уравнения являются существенной частью данного изобретения: они требуют защиты независимо от применения в данном изобретении.

a) Первая часть касается центрируемого механизма кривошипно-шатуннного механизма: эта часть относится к известной части данного изобретения и имеет целью проверку, каким образом фиксированная точка поршня, связанная с кривошипно-шатуннным механизмом, изменяет ось координат через соединительный стержень в зависимости от угла между кривошипно-шатуннным механизмом и этой самой осью. Даже если все это известно, как будет понятно из последующего описания, его применению в данном описании свойственны признаки новизны.

b) Вторая часть рассчитывает профиль, который должен иметь поршень и как уже рассчитанный кривошипно-шатуннный механизм, и для трансляции в точку круга диаметром "R", который вписывает вращение ротора согласно с определенными условиями движения кривошипа. Уравнение искомого изгиба может быть записано двояким образом:

1. явно y=f(x)

2. параметрически по "х" и "y", чтобы сделать возможным перенос данных в программу черчения CAD.

c) третья часть рассчитывает, какой профиль должны иметь стороны ротора, следующая причинная связь представлена и описана математически.

Допустим:

- что изначально ротор представляет собой простой диск диаметром "R";

- что этот диск вращается согласно с заданным законом связи с движением поршня;

- что благодаря особенностям наклона, описанного в (b), и профиля, рассчитанного с помощью процедуры, представленной в (b), поршень продвигается в направлении круга согласно с законами, рассчитанными в (а);

- что действие, выполняемое поршнем, может быть сравнено с резцом токарного станку, которое производит ротор.

Станет понятно, что операция вращения будет создавать нужный профиль торцов ротора.

ПРИМЕЧАНИЕ: Зависимость, которая передается следующими функциями, имеет степень аппроксимации/точности, которая определяется математикой. Поскольку подвижные части могут лишь немного касаться друг друга, или не касаться совсем, при практическом конструировании нужно применять допуски, которые нужно изменять постепенно, согласно с особенностями материалов, которые используются для изготовления двигателя, однако они не включены в описание.

а) Кривошипно-шатунный механизм

Допустим, что система отсчета находится в центре кривошипа (Фиг.1) и что:

r - длина кривошипа (радиус)

d - длина шатуна

φ - угол кривошипа относительно системы отсчета (выраженный в радианах)

а также:

l₁=rcosφ

l₂=rsinφ

Поршень, который движется вдоль оси у, описывает траекторию, зависящую от угла φ (Фиг.1) согласно с:

для 0≤φ≤π

и для -π≤φ≤0

Принимая во внимание, что:

О - стартовая точка кривошипно-шатунного механизма с углом φ=0

φ=0 y=-r+d y=-r+d (минимальное положение = О)

φ=π/2

φ=π y=r+d (максимальное положение = А)

"А" представляет точку прихода.

Таким образом, уравнение движения поршня будет иметь вид:

b) Расчет профиля поршня

Расчет профиля осуществляют путем подстановки в соотношение уже рассчитанного кривошипно-шатунного механизма со смещением точки на круг, который вписывает вращение ротора: это соотношение отвечает данным условиям движения и составляет предмет данного изобретения.

Написанные ниже функции позволяют рассчитывать поршневые/роторные системы независимо от количества поршней, но их количество должно превышать 2. Системы, для которых применение данного изобретения составляет смысл, имеют четное количество шатунов, минимум 4.

В добавление к уже упомянутым обозначениям, введены также другие обозначения:

Ψ - окружность, в которую вписывается ротор;

XY - центральная относительно ротора система координат;

R - радиус окружности Ψ;

N - количество активных поверхностей ротора, равное количеству кривошипных механизмов и равное количеству секций окружности Ψ;

i - линия наклона поршня, прилагаемого к средней точке соответствующей дуги;

P₁ - обозначает точку пересечения прямой "i" с окружностью Ψ;

Р₃ - обозначает окончание первой дуги окружности Ψ для соответствующего поршня;

α - угол наклона поршня, измеренный в точке P₁, относительно касательной к окружности, которая проходит через эту точку;

L - дуга окружности Ψ для соответствующего поршня между точками Р₂ и Р₃, шириной 2π/N;

С - хорда дуги "L", проведенная между точками Р₂ и Р₃; эта хорда параллельна касательной к Ψ, которая проходит через точку P₁;

S - ширина поршня, равная расчетному параметру для площади профиля поршня и равная расстоянию между двумя прямыми, которые проходят параллельно линии наклона поршня "i" через точки Р₂ и Р₃;

s - угол сдвига по фазе: это есть угол наклона поршня, измеренный относительно оси X системы координат XY окружности Ψ;

m - прямая, которая проходит через точку P₁ от центра ротора:

β - это угол между прямой "m" и прямой "i"; поскольку линия "m" ортогональна касательной к окружности Ψ, которая проходит через точку P₁, этот угол всегда равен π/2-α.

Вывод формул

Соотношение между вращением двигателя и вращением кривошипа всегда нужно понимать на основе следующего принципа:

Вращательный ротор, который начинает двигаться из точки Р₁, проходит (при повороте кривошипно-шатунного механизма на угол от 0 до π(0≤φ≤π) угловое расстояние в направлении точки Р₃, равно π/N. При повороте вращательного ротора на предыдущий угол, то есть от Р₂ до P₁, кривошипно-шатунный механизм проходит угол от -π до 0 (-π≤φ≤0).

Чтобы записать уравнение, введена система отсчета xy, которая для описанного движения привязана к кривошипно-шатунному механизму и образует угол между касательной к окружности Ψ и линией "i" (осью y) (Фиг.2): в результате получаем уравнения, составленное для двух движений:

- постоянное движение точки, которая перемещается на окружности Ψ, согласно со следующим соотношением:

π (кривошипно-шатунный механизм): π (окружности Ψ)/N,

где π представляет угловую единицу,

другими словами, поворот кривошипа "r" в системе координат xy находится в соотношении с поворотом ротора в системе XY, равном π/N;

- движение точки в базисе кривошипно-шатунного механизма.

Уравнение для абсциссы

х=Rsin(φ/N+β)-Rsinβ

(Фиг.5)

Уравнение для ординаты

y=Rcosβ-Rcos(φ/N+β)+d-r+l-f(φ)

(Фиг.5)

где "l" является расстоянием между осью Y и началом системы xy (или, не в математической формулировке, длина поршней), a f(φ) - уравнение движения кривошипно-шатунного механизма (или поршня).

Уравнение также работает при отрицательном φ.

х=R(sin(φ/N+β) - sinβ)

Фигуры 6а и 6b показывают определение ширины S поршня, и конкретнее для ширины поршня при N>4 на фигуре 6а и для ширины поршня при N=4=π/2.

Угол между прямой, которая проходит через точку Р₂ прямой "i", и хордой "С" равняется β.

Уравнение хорды, которая соединяет точки Р₂ и Р₃:

Следующие соотношения могут быть экстраполированы из графиков (Фиг.6а и 6b):

f₁=R·sin(2π/N)

f₂=R·cos(2π/N)

f₃=R-R·cos(2π/N)

Поэтому дуга будет определяться уравнением:

ширина поршня "S" передается таким выражением:

S=Ccosβ

Расчет профиля активной поверхности вращательного ротора:

Принцип расчета изгиба вращательного ротора сложнее расчета изгиба поршня возвратно-поступательного движения.

Как уже упоминалось, мы должны допускать, что поршень возвратно-поступательного движения продвигается из заданной точки своего движения таким образом, что его изгиб описывает форму вращательного ротора. Принимая это во внимание, задачу расчета профиля поршня можно сформулировать как "минимаксную". Делая такой гипотетический расчет, мы получим уравнение, которое нельзя записать аналитически.

Выбранный способ определения координат для управления устройствами ЧПУ (числового программного управления), чтобы описать все прохождения с тригонометрической точки зрения, однозначно определялся геометрией создаваемого рисунка.

Математические компоненты, необходимые для расчета, следующие:

a) возвратный кривошипно-шатунный механизм = f(ε). Если кривошипно-шатунный механизм рассчитывает трансляцию конца шатуна с изменением угла φ, то возвратный кривошипно-шатунный механизм дает трансляцию конечной точки с изменением угла π-φ=ε.

b) расстояние "е": расстояние от начала системы отсчета ротора "XY" до разных точек изгиба поршня возвратно-поступательного движения, рассчитанных при изменении угла φ в направлении движения поршню возвратно-поступательного движения с расстоянием, равным f(ε) возвратного кривошипно-шатунного механизма. Сегмент между началом XY и каждой точкой поршню называется "Е".

c) новые координаты самой отдаленной точки сегмента "Е" длины "е", рассчитанные при вращении = π/N. Чтобы осуществить это, необходимо рассчитать угол между прямой "Е" и прямой, которая проходит через начало системы параллельно прямой "i".

ПРИМЕЧАНИЕ: Другая система отсчета, которая называется X′Y′, расположена в центре системы XY и повернута на угол "s" относительно системы отсчета XY.

а) Возвратный кривошипно-шатунный механизм рассчитывается из кривошипно-шатунного механизма f(φ), принимая во внимание тот факт, что угол ε=π-φ (см. Фиг.7а, 7b).

Помня, что

аналогичным образом можно получить:

b) Определение координат самой отдаленной точки сегмента "Е" относительно XY и расчета длины "е" прямой "Е".

Координаты самой дальней точки "Е" равняются (см. Фиг 8):

X′=Rcosβ-(f(φ)+f(ε))

Y′=Rsin(φ/N+β)

Таким образом, длина "е" прямой "Е" равняется:

с) Расчет изгиба ротора

В первую очередь рассчитывают угол между "Е" and X′.

Учитывая, что

e·sinη=Rsin(φ/N+β) Фиг.8

угол можно записать таким образом:

Если к сегменту "Е" длины "е" приложено вращение, равное φ/N, получим в результате координаты точек компонентов ротора, которые соответствуют поршню, если при этом будем проводить расчет в системе координат X′Y′:

X′=ecos(η+φ/N) Фиг.8

Y′=esin(η+π/N-(π/N-φ/N)) Фиг.8

Изгиб того компонента ротора, который рассматривается, отвечает изгибу части, для которой является справедливым следующее условие:

e

Короче, рассматриваемое уравнение ротора определяется таким образом:

X′=ecos(η+φ/N)

Y′=esin(η+φ/N)

Точки сегментов изгиба для е>R исключены.

Конечное уравнение изгиба имеет такой вид:

Y′=X′tg(η+φ/N)

Функциональная схема машины непрерывной последовательности операций с наложенным управлением (двухтактная система):

а. два такта: подобно традиционным двухтактным двигателям, в этой системе также цикл разделен на две обычных фазы двухтактного двигателя:

1.2. 1.1. Вход сквозь входную щель для воздушно-топливной смеси, но без подмешивания смазочных масел ни путем представления смеси из камеры коленчатого вала, ни путем сжатия (уменьшение объема благодаря закрытым щелям).

2.1. Зажигание со сгоранием (увеличение объема путем сгорания с производством энергии).

2.2. Выпуск через выходные щели благодаря щелевому ускорению, вызванному выхлопной трубой. С этой системой, однако, можно впускать сквозь входные щели только свежий воздух и подмешивать допустимое топливо путем его прямого впрыскивания в камеру сгорания. Такие решения известны для обычных двухтактных двигателей и могут быть перенесены на нашу систему.

С этой системой, однако, сквозь входные щели можно впускать только свежий воздух и подмешивать разные топлива путем прямого впрыскивания в камеру сгорания. Такие решения известны для обычных двухтактных двигателей и могут быть перенесены на нашу систему.

Зажигание: В отличие от четырехтактных систем, в этом двигателе непрерывной последовательности операций соответствующая свеча зажигания расположена в каждой точке схождения боковых сторон смежных отверстий для поршней возвратно-поступательного движения: таким образом, для 4-поршневой системы необходимо четыре свечи зажигания (количество свечей зажигания равно количеству сторон вращательного ротора).

ПРИМЕЧАНИЕ: Свечи зажигания необходимы для случаев использования топлива, которое нуждается в зажигании;

дизель не подходит для этого решения, потому что практически невозможно достичь необходимого сжатия. Однако благодаря концепции двигателя непрерывной последовательности операций мы можем пытаться найти решения, которые применяют преимущество самозажигания топлива: с газообразными топливами можно достичь очень низких уровней эмиссии.

Можно применять обычные форсунки или свечи зажигания.

Временная последовательность зажигания:

В двигателях внутреннего сгорания с поршнями возвратно-поступательного движения коленчатый вал передает вращение во время двухтактного цикла поршня, то есть одно зажигание. В обычных альтернативных поршневых двигателях вращение эксцентрика или коленчатого вала необходимо для двухтактного цикла с зажиганием поршня.

В двигателе Ванкеля на каждый оборот ротора вал эксцентрика выполняет три полных оборота. На протяжении каждого полного вращения ротора осуществляется три полных четырехтактных цикла с тремя зажиганиями. Три зажигания осуществляют три вращения вала эксцентрика.

В данном изобретении, с альтернативой реализации двигателя с непрерывной последовательностью операций с двухтактным циклом, одновременно работают свечи зажигания: таким образом, четыре свечи зажигания одновременно работают как четыре поршня возвратно-поступательного движения. На протяжении полного вращения ротора свечи зажигания срабатывают четыре раза: всего 4 свечи зажигания * 4 равно 16 зажиганий на каждый полный оборот.

В данном изобретении корпус двигателя, по сравнению с двигателем Ванкеля, улучшает соотношение между зажиганиями и вращением ведущего вала от 1:1 (1 зажигание/сгорание на один оборот вала/ротора двигателя) до 16:1 (8 зажиганий/сгораний на один оборот вала/ротора двигателя): таким образом, эффективность двигателя существенно улучшается.

В данном изобретении энергия передается непосредственно, потому что вал двигателя прикреплен к ротору; в двигателе Ванкеля энергия двигателя передается с помощью трения между ротором и валом эксцентрика. В данном изобретении каждый оборот коленчатых валов поршней возвратно-поступательного движения связан с зажиганием; работа всех четырех свечей зажигания, которые есть в двигателе (если это четырехцилиндровый двигатель), создает возможность согласованного движения всех четырех поршней системы, которые, таким образом, загружены одинаково.

Часть данного изобретения, которую можно сравнить с обычным поршнем возвратно-поступательного движения, также удваивает эффективность. Комбинация обеих вышеупомянутых систем (вращательного ротора и поршня возвратно-поступательного движения), реализованная в данном изобретении, делает возможной более логическую и однородную последовательность операций всей двигающей системы.

Функциональная схема четырехтактной системы:

a. четыре такта: подобно обычным двигателям в этой системе цикл также разделен на четыре таких фазы:

1. Впуск (заполнение объема смесью сквозь открытые впускные клапаны)

2. Сжатие (уменьшение объема с закрытыми клапанами)

3. Зажигание со сгоранием (сгорание объема с выработкой кинетической энергии)

4. Выпуск отработанных газов (уменьшение объема с открытыми выхлопными клапанами).

Клапанная система расположена на роторе, впуск и высвобождение выхлопных газов осуществляется системой собирающих каналов, созданных (фрезерованных) в роторе.

b. Инжекция: если не берется система с прямым впрыском, представляет наиболее приемлемое решение для применения данного изобретения. Специально сконструированную инжекторную форсунку можно установить внутри воздушного впускного канала, расположенного вдоль оси ротора.

c. Зажигание: свеча зажигания смонтирована для каждой пары поршней в точке падения боковых торцов подвижной камеры поршня возвратно-поступательного движения: для системы с четырьмя поршнями необходимы две свечи зажигания (количество свечей зажигания равно количеству торцов ротора, деленному на 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Свечи зажигания необходимы в случае топлив, которые нуждаются в зажигании вспышкой; в этом случае можно использовать инжекторные сопла, типа инжекторных сопел Common Rail, которые замещают свечи зажигания. Обычные свечи зажигания или промышленные сопла можно использовать с небольшой переделкой. В этом случае уменьшается сжатие. В другом случае такие компоненты, как инжекторные сопла или свечи зажигания для данного двигателя, необходимо разрабатывать.

Временная последовательность зажигания:

В двигателях внутреннего сгорания с поршнями возвратно-поступательного движения коленчатый вал во время четырехтактного цикла поршня осуществляет два оборота, то есть одно зажигание.

В двигателе Ванкеля с каждым полным оборотом ротора вал эксцентрика осуществляет три полных оборота. Во время каждого полного оборота ротора осуществляется три полных четырехтактных цикла с тремя зажиганиями. Три зажигания осуществляют три оборота вала эксцентрика.

В данном изобретении свечи зажигания работают одновременно: таким образом, две свечи зажигания работают одновременно с четырьмя поршнями возвратно-поступательного движения. За один оборот ротора свечи зажигания работают четыре раза: суммарно на 2 свечи зажигания * 4, равно 8 для каждого полного оборота.

Корпус двигателя для данного изобретения, в сравнении с двигателем Ванкеля, улучшает соотношение между зажиганием и вращением с ведущим валом от 1:1 (1 зажигание/сгорание на каждый оборот ведущего вала) до 8:1 (8 зажиганий/сгораний на каждый оборот ведущего вала/ротора): таким образом, эффективность двигателя существенно улучшается, по крайней мере в четыре раза.

В данном изобретении поскольку ведущий вал закреплен на роторе, энергия переносится прямо; в двигателе Ванкеля энергия переносится благодаря трению между ротором и валом эксцентрика. В данном изобретении каждый оборот коленчатого вала поршня возвратно-поступательного движения связан с зажиганием; работа присутствующих в двигателе двух свечей зажигания (если это четырехпоршневый двигатель) делает возможным согласованное движение всех четырех поршней системы.

Часть данного изобретения, которую можно сравнить с обычным двигателем на поршнях возвратно-поступательного движения, почти удваивает свою эффективность. Хотя данное изобретение основано на четырехтактном цикле, его кинематическое и термическое поведение можно сравнить с поведением двухтактного двигателя.

Реализованная в данном изобретении комбинация двух вышеупомянутых систем (вращательного ротора и поршня возвратно-поступательного движения) делает возможной более логическую и однородную последовательность операций всей двигающей системы.

Заключительные замечания

Следующее описание подытоживает технические принципы двигателя с возвратно-поступальными поршнями и вращательным ротором. В частности, было описано изобретение новой кинематики двигателя, которая по сравнению с обычным двигателем дает высокую эффективность и характеризуется упрощением конструкции компонентов моно системы.

Следующие характеристики и детали двигателя, который является целью этого изобретения, можно понять из формулы изобретения и последующего описания предпочтительной конструкции, приведенного в приложенных чертежах, где:

Фиг.1 - система координат xy кривошипной системы с центром в точке, совпадающей с осью кривошипа, и система координат ротационного поршня;

Фиг.2 - взаимосвязь в общем виде системы координат xy (кривошипа) и системы координат XY;

Фиг.3 - подробное описание взаимосвязи системы координат xy (кривошипа) и системы координат XY (вращательный ротор) для 4-стороннего ротационного поршня и 4 периферических возвратно-поступательных поршней;

Фиг.4 - подробное описание взаимосвязи системы координат xy (кривошипа) и системы координат XY (вращательный ротор) для 6-стороннего ротационного поршня и 6 периферических возвратно-поступательных поршней;

Фиг.5 - описание символа ☼=Rcosβ-Rcos(φ/N+β) и взаимосвязи системы координат xy (кривошип) и системы координат XY (вращательный ротор);

Фиг.6а - детализация сектора для подсчета ширины возвратно-поступательного поршня при 6-стороннем вращательном роторе и 6 периферических возвратно-поступательных поршнях;

Фиг.6b - детализация сектора для подсчета ширины возвратно-поступательного поршня при 4-стороннем вращательном роторе и 4 периферических возвратно-поступательных поршнях;

Фиг.7а - то же, что и Фиг.1 (l₁ и l₂ поменяны местами);

Фиг.7b - описание перемещения шатуна в системе координат кривошипного механизма xy;

Фиг.8 - описание кривой перемещения возвратно-поступательного поршня для примерного вычисления профиля ротационного поршня;

Фиг.9 - сечение в плоскости, содержащей ось вращения двигателя, базирующееся на изобретении в первой реализации, как четырехтактного двигателя;

Фиг.10 - сечение двигателя, основанного на изобретении, подобном приведенному на фиг.9;

Фиг.11 - вид двигателя согласно изобретению, некоторые детали на роторе частично опущены;

Фиг.12 - вид аналогичный фиг.11, но без нижней конической зубчатой передачи;

Фиг.13 - вид подобный фиг.11 и 12, но только с корпусами клапанов;

Фиг.13а - вид корпусов клапанов и боковых втулок поршней;

Фиг.14 - вид подобный фиг.от 11 до 13, но снаружи камеры сгорания двигателя;

Фиг.15 - вид поршня возвратно-поступательного движения;

Фиг.16 - вид сверху двигателя с возвратно-поступальными поршнями и вращательным ротором согласно данному изобретению во второй реализации двухтактного двигателя;

Фиг.17a - сечение вдоль линии XVI-XVI на Фиг.16;

Фиг.17b, 17с и 17d - сечение вдоль линии XVI-XVI на Фиг.16 при разных положениях вращательного ротора, представлены в уменьшенном виде.

На Фиг.9 представлен под поз.1 полный вид двигателя с возвратно-поступательными поршнями/вращательным ротором, основанный на данном изобретении. Он включает корпус 2 и ротор 3, установленный в корпусе 2 на подшипниках 4 и 5. В этом случае подшипники представляют собой конические роликоподшипники.

В корпусе 2 есть отверстия 6, 7, 8 и 9 (Фиг.10), каждое из которых имеет покрытие 10. Главная ось каждого отверстия перпендикулярна оси соседнего отверстия, а отверстия, параллельные друг другу, имеют параллельные сдвинутые оси.

Поршни 11, 12, 13 и 14 двигаются в соответствующих отверстиях 6, 7, 8 и 9. Каждый поршень сочленен с шатуном 15, который сочленен с коленчатым валом. Коленчатые валы 16 установлены таким образом, чтобы они могли вращаться в подшипниках 17 и 18 снаружи отверстий 6, 7, 8 и 9 в кольце корпуса, которое схематически представлено своими выступами 19 и 20, которые поддерживают подшипники 17 и 18. Корпус 2 закрыт снаружи крышками 21 и 22, которые удерживают смазыватели и служат также маслосборниками.

Каждое отверстие 6, 7, 8 и 9 закрыто сбоку, перпендикулярно оси вращения ротора 3, плоскостным зубчатым колесом 23, 24. Вращательный ротор 25 установлен между плоскостными зубчатыми колесами 23 и 24 и прикреплен к ним. Каждое плоскостное зубчатое колесо 23 и 24 входит в сцепление с зубчатыми колесами 26 и 27. Плоскостные зубчатые колеса 26 и 27 установлены на коленчатых валах 16. Каждый коленчатый вал 16 проходит наружу и снаружи корпуса имеется муфта отбора мощности 28.

Каждый поршень возвратно-поступательного движения 11, 12, 13 и 14 имеет активную поверхность 29, которая образует камеру 31 с одной активной поверхностью 30 вращательного ротора. Активные поверхности 29 и 30 имеют сбоку ясно определенный профиль, который был рассчитан выше, принимая во внимание Фиг.1-8. Свеча зажигания 32 и 33 может использоваться в каждой точке между двумя соседними отверстиями камеры, образованной двумя активными поверхностями.

Вращательный ротор 25 имеет внутреннюю полость 34, которая соединена с инжекторной форсункой 35, расположенной на втулке 36, установленной соосно на крышке 21 к колесу вентилятора 37, что, как показано дальше, служит колесом турбонаддува.

В соответствии со своей функцией, корпус 2 имеет пластины радиатора 38 снаружи отверстий 6, 7, 8 и 9 и камеры 39 для водяной охладительной системы между неподвижными стенками отверстий. Как лучше показано на Фиг.11, вращательный ротор 25 имеет четыре вершины 40, 41, 42 и 43, между которыми расположена активная поверхность 29. Полость 34 связана с одной стороны с колесом вентилятора 37 через канал 44 для поставки воздуха и с камерой 31 через отверстие 46. Каждое отверстие 46 может быть открыто или закрыто с помощью корпуса клапана 47, который в своих торцах имеет стержень 48 (Фиг.9), который пересекает плоскостные зубчатые колеса 23 и 24 и входит в зацепление с направляющими 49, которые расположены соответственно, на стороне плоскостного зубчатого колеса 23, в основании втулки 36, и на стороне плоскостного зубчатого колеса 24, в основании другой втулки.

Как лучше представлено на Фиг.13, на каждой активной поверхности есть выпускное отверстие 50, выход которого связан с колесом вентилятора 37 через канал 51 по стрелке 52. Выпускное отверстие может быть открыто или закрыто с помощью ползунка 53 на двух фиксаторах 54 со шляпкой 55. Шляпка 55 и аналогичный элемент, который не описан здесь, на противоположной стороне ползунка, двигаются в соответствующих направляющих 56, установленных между втулкой 36 и неописанным элементом и крышками 21 или 22 на кулачках 57 тороидальной формы таким образом, что для вывода выхлопных газов фиксатор устанавливается в исходное положение.

Как показано на Фиг.11 и 14, каждое плоскостное зубчатое колесо имеет серию проходов 58, а также серию углублений 59 вдоль радиального направления плоскостного зубчатого колеса, так что поршни возвратно-поступательного движения снабжаются смазочными средствами в верхней части камеры 31, а углубления 59 служат для резервирования смазочного масла.

На внешних поверхностях плоскостных зубчатых колес установлены лопасти 60, изогнутые внутрь в направлении вращения таким образом, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию, а следовательно, и надлежащее охлаждение верхней и нижней стороны камеры.

В изображенной камере 62, снаружи плоскостных зубчатых колес 23 и 24, может быть установлен генератор тока известного типа и не описанный здесь; этот генератор входит в сцепление с соответствующим коническим зубчатым колесом 23 или 24.

На Фиг.16 и 17 показан двигатель 100 с возвратно-поступательными поршнями и вращательным ротором на основе реализации данного изобретения для двухтактного двигателя.

Принцип подобен принципу обычных двухтактных двигателей. Обычные две фазы двухтактного двигателя возможны в этой системе также:

Впуск воздушно-топливной смеси происходит сквозь входные щели 101, но без подмешивания смазочных масел путем подведения смеси от камеры коленчатого вала.

Сжатие (уменьшение объема) происходит благодаря закрытию щелей. Зажигание происходит с помощью свечей зажигания 102, с последующим сгоранием (расширением объема с вырабатыванием энергии). Вывод происходит сквозь выходные щели 103 благодаря ускорению выхлопа, определенному выхлопной трубой. Однако с этой системой возможно напускать сквозь входные щели только чистый воздух и подмешивать допустимые топлива путем прямого впрыска в камеру сгорания. Такие решения известны для случая обычных двухтактных двигателей и могут быть перенесены на нашу систему.

Зажигание: В отличие от четырехтактной системы в этом двигателе непрерывной последовательности операций каждая вершина угла между боковыми стенками 104 поршней возвратно-поступательного движения содержит соответствующую свечу зажигания 102: таким образом, в системе с четырьмя поршнями необходимо четыре свечи зажигания 102 (количество свечей зажигания = количеству сторон вращательного ротора).

Свечи зажигания необходимы, когда используется топливо, которое нуждается в зажигании; дизельный двигатель для этого решения не подходит, потому что почти невозможно достичь необходимого сжатия. Однако, используя концепцию двигателя с непрерывной последовательностью операций, мы можем ставить в качестве цели решения, которые используют преимущество самозажигания топлив: с газообразными топливами можно достичь очень низких уровней эмиссии.

Могут быть использованные обычные сопла и свечи зажигания. Двигатель с возвратно-поступательными поршнями и вращательным ротором был описан как двигатель внутреннего сгорания. Однако понятно, что двигатель с возвратно-поступательными поршнями и вращательным ротором на основе данного изобретения может быть использован как любой двигатель с непрерывной последовательностью операций.

Реферат

Изобретение относится к двигателям. Роторно-поршневой двигатель содержит возвратно-поступательные поршни и вращательный ротор, размещенные в N-секционном корпусе, где N равно трем, четырем, шести, либо четному числу, большему шести. Возвратно-поступательные поршни скользят в соответствующих отверстиях корпуса. Вращательный ротор выполнен осесимметричным и, соответственно, N-секционным. Вращательный ротор установлен с возможностью его вращения вокруг собственной центральной оси, которая одновременно является осью симметрии двигателя. Активные поверхности ротора вместе с имеющими криволинейную форму активными поверхностями N одновременно работающих поршней прямоугольного сечения, обращенными к вращательному ротору, образуют N рабочих камер переменного объема. В рабочих камерах рабочие циклы следуют друг за другом, как в двухтактном либо четырехтактном двигателе. Продукты сгорания воздействуют на активные поверхности ротора. Активные поверхности ротора имеют криволинейную форму, обеспечивающую создание вращательного момента относительно центральной оси ротора, который суммируется с вращательными моментами, возникающими вследствие перемещения поршней. Поршни кинематически связаны через кривошипно-шатунные механизмы с коленчатыми валами, которые синхронизируются при помощи зубчатой передачи с вращением ротора. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных параметров. 16 з.п. ф-лы, 23 ил.

Формула

2. Двигатель по п.l, отличающийся тем, что профили активных поверхностей поршней возвратно-поступательного движения определены следующими уравнениями:
xy - система координат, которая находится в центре вращения кривошипа (ось вращения коленчатого вала (16)), где ось y совпадает с осью возвратно-поступательного движения поршня;
r - длина кривошипа (расстояние между осью вращения коленчатого вала 16 и соответствующим кривошипом);
d - длина шатуна (15);
φ - угол между кривошипом и осью у системы координат ху (выраженный в радианах);
Ψ - окружность, в которую вписан ротор (3);
X Y - система координат, центр которой совпадает с центром окружности Ψ, то есть осью ротора;
R - радиус окружности Ψ;
N - количество активных поверхностей ротора, равное количеству кривошипных механизмов и равное количеству секций окружности Ψ;
i - линия наклона поршня, приложенная к средней точке соответствующей дуги;
P₁ - обозначает точку пересечения прямой "i" с окружностью Ψ;
Р₃ - обозначает окончание первой дуги окружности Ψ для соответствующего поршня;
α - угол наклона поршня, измеренный в точке Р₁, относительно касательной к окружности Ψ, которая проходит через эту же точку;
L - дуга окружности Ψ соответствующего поршня между точками Р₂ и Р₃ шириной 2π/N;
С - хорда дуги "L", проведенная между точками Р₂ и Р₃; эта хорда параллельна касательной, которая проходит через точку P₁;
S - ширина поршня, расчетный параметр площади профиля поршня, равный расстоянию между двумя прямыми, которые проходят параллельно линии наклона "i" через точки Р₂ и Р₃;
s - угол сдвига по фазе: это есть угол наклона поршня, измеренный относительно оси X системы координат XY окружности Ψ;
m - прямая, которая проходит через точку P₁ от центра ротора;
β - это угол между прямой "m" и прямой "i", причем, поскольку линия "m" ортогональна касательной к окружности Ψ, которая проходит через Р₁, этот угол всегда равен π/2-α;
X′Y′ - другая система координат, расположенная в центре системы XY, но повернутая относительно последней на угол "s";
при этом профиль активной поверхности поршня возвратно-поступательного движения, заданный в параметрической форме имеет вид x=R(sin(φ/N+β)-sinβ)