Роторный двигатель с воздушным охлаждением - RU2662031C2
Код документа: RU2662031C2
Чертежи
Описание
Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №61/757,078, поданной 25 января 2013; предварительной заявке на патент США №61/765,339, поданной 15 февраля 2013, а также предварительной заявке на патент США №61/873,182, поданной 3 сентября 2013. Таким образом, содержание всех упомянутых выше заявок включено в настоящую заявку посредством ссылки.
[0002] Патент США №8,523,546, озаглавленный "Циклоидный роторный двигатель" (Cycloid Rotor Engine), выданный 3 сентября 2013 на имя Школьника и др., включен в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
[0003] Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и, в частности, к роторным двигателям.
Уровень техники
[0004] Из уровня техники известен способ отвода отработанного тепла из двигателя внутреннего сгорания за счет циркуляции жидкости в замкнутой системе, имеющей каналы, выполненные внутри блока двигателя, и радиаторы, расположенные снаружи блока двигателя. Такие системы являются эффективными, но способствуют увеличению веса и сложности двигателя, а также укрупняют его и усложняют процесс обслуживания.
[0005] Из уровня техники также известен способ защиты внешних частей двигателя, таких как, например, открытая поверхность цилиндра и головка цилиндра, с помощью теплоизлучающих пластин, что обеспечивает большую площадь поверхности, открытую для охлаждения воздухом, снаружи двигателя. Такие системы эффективны в некоторых случаях, но требуют открытого пространства для обтекания двигателя потоком воздуха, в результате чего отсек двигателя должен быть значительно больше самого двигателя и/или должен быть предусмотрен воздуховод для протекания потока воздуха в направлении двигателя и обратно. Кроме того, рассеивание тепла через внешнюю поверхность двигателя создает опасность термического ожога для пользователя, например мотоциклиста, о слишком горячие пластины.
Раскрытие изобретения
[0006] В первом варианте осуществления изобретения усовершенствованный роторный двигатель, такого типа, который имеет ротор с N выступающими частями, впускной канал, выпускной канал и корпус, в соответствии с которым установлен ротор для вращательного движения относительно корпуса, при этом корпус имеет N+1 областей, принимающих выступающие части и выполненных для последовательного приема выступающих частей при вращении ротора относительно корпуса, причем корпус содержит (i) пару сторон, расположенных в осевом направлении на первой и второй сторонах ротора, и (ii) выступ, расположенный между каждой парой соседних областей, принимающих выступающие части, и дополнительно выполнен относительно ротора таким образом, что он образует рабочую камеру, связанную с каждой областью, принимающей выступающие части, причем по меньшей мере одна камера из указанных камер выполнена с возможностью последовательного выполнения фаз всасывания, сжатия, сгорания, расширения и выхлопа, имеет усовершенствование, которое состоит в том, что конфигурация корпуса относительно ротора выполнена так, чтобы обеспечить создание по меньшей мере одной рабочей камеры, предназначенной исключительно для выполнения операции, выбранной из группы, включающей в себя охлаждение, сжатие, прокачку и любую их комбинацию.
[0007] В некоторых вариантах осуществления изобретения, такой фазой является фаза охлаждения, а предназначенная для ее выполнения камера является камерой охлаждения. Более того, в других вариантах осуществления изобретения камера охлаждения выполнена таким образом, что в нее поступает и через нее проходит поток охлаждающего вещества, который также вступает в контакт с ротором для охлаждения ротора. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения камера охлаждения выполнена таким образом, что поток охлаждающего вещества поступает в нее и проходит через нее в осевом направлении. Для этого, в некоторых вариантах осуществления ротора выполнен по меньшей мере один сквозной канал для прохождения потока охлаждающего вещества. Таким образом, по меньшей мере один канал может быть расположен в осевом направлении.
[0008] В некоторых вариантах осуществления изобретения, ротор имеет несколько осевых каналов, отделенных друг от друга выступами. Выступы могут быть расположены под углом и служат лопастями вентилятора для прокачки охлаждающего вещества через камеру охлаждения.
[0009] В некоторых вариантах осуществления изобретения, охлаждающим веществом служит воздух. В некоторых вариантах осуществления изобретения, суммарный объем всех рабочих камер, выполненных с возможностью последовательного выполнения фаз всасывания, сжатия, сгорания, расширения и выхлопа, составляет менее 500 кубических см.
[0010] В некоторых вариантах осуществления изобретения, рабочие камеры выполнены таким образом, что объем рабочей камеры в конце фазы расширения превышает объем рабочей камеры в начале фазы сжатия. В некоторых вариантах осуществления изобретения, рабочие камеры выполнены таким образом, что давление рабочей камеры в конце фазы расширения составляет примерно 1 атмосферу.
[0011] В некоторых вариантах осуществления изобретения двигатель также содержит противовесы, расположенные внутри ротора для его уравновешивания, но присоединенные к приводному валу для поворота вместе с ним.
[0012] В другом варианте осуществления изобретения усовершенствованный роторный двигатель, такого типа, который имеет ротор с N выступающими частями, впускной канал, выпускной канал и корпус, в соответствии с которым установлен ротор для вращательного движения относительно корпуса, при этом корпус имеет N+1 областей, принимающих выступающие части и выполненных для последовательного приема выступающих частей при вращении ротора относительно корпуса, причем корпус содержит (i) пару сторон, расположенных в осевом направлении на первой и второй сторонах ротора, и (ii) выступ, расположенный между каждой парой соседних областей, принимающих выступающие части, и дополнительно выполнен относительно ротора таким образом, что он образует рабочую камеру, связанную с каждой областью, принимающей выступающие части, из указанных областей, причем множество камер выполнены с возможностью последовательного выполнения фаз всасывания, сжатия, сгорания, расширения и выхлопа, имеет усовершенствование, которое состоит в том, что один источник сгорания топлива выполнен с возможностью подачи топлива по меньшей мере в две рабочих камеры из указанного множества рабочих камер.
[0013] Некоторые варианты осуществления изобретения содержат один источник топлива, включающий в себя карбюратор, соединенный с трубопроводом, выполненным на выступе корпуса, через который воздушно-топливная смесь подается в две соседние рабочие камеры. Более того, некоторые варианты осуществления изобретения содержат один источник топлива, включающий в себя трубопровод в роторе. В некоторых вариантах осуществления изобретения один источник топлива содержит инжектор, расположенный в роторе и соединенный с трубопроводом. Например, трубопровод может быть соединен с впускным каналом, а один источник топлива содержит карбюратор, соединенный с трубопроводом и обеспечивающий подачу в трубопровод воздушно-топливной смеси.
[0014] В некоторых вариантах осуществления изобретения, рабочие камеры выполнены таким образом, что объем рабочей камеры в конце фазы расширения превышает объем рабочей камеры в начале фазы сжатия. В некоторых вариантах осуществления изобретения, рабочие камеры выполнены таким образом, что давление рабочей камеры в конце фазы расширения составляет примерно 1 атмосферу.
[0015] В некоторых вариантах осуществления изобретения, двигатель содержит противовесы, предназначенные для уравновешивания ротора.
[0016] Двигатель, согласно любому из предшествующих вариантов осуществления изобретения, может также включать в себя выполненный с возможностью вставки сменный картридж, содержащий топливо, или смесь топлива и масла.
Краткое описание чертежей
[0017] Рассмотренные выше отличительные признаки вариантов осуществления изобретения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания, взятого со ссылкой на прилагаемые чертежи, где
[0018] фиг. 1A-1G схематично показывают свойства первого варианта осуществления роторного двигателя;
[0019] на фиг. 2А-2В схематично показан топливный инжектор;
[0020] фиг. 3А-3Е схематично показывают двигатель, показанный на фиг. 1A-1G, в некоторых стадиях работы;
[0021] фиг. 4A-4F схематично показывают свойства некоторых вариантов осуществления роторных двигателей;
[0022] фиг. 5А-5Н схематично показывают свойства варианта осуществления роторного двигателя с воздушным охлаждением;
[0023] фиг. 6A-6J схематично показывают двигатель, показанный на фиг. 5A-5G. в некоторых стадиях работы;
[0024] на фиг. 7А-7В схематично показан ротор роторного двигателя;
[0025] на фиг. 8А и фиг. 8В схематично показаны графики зависимости давления от объема в разных режимах работы двигателя;
[0026] фиг. 9A-9D схематично показывают свойства другого варианта осуществления роторного двигателя;
[0027] фиг. 10 схематично показывает другой вариант осуществления ротора и корпуса роторного двигателя.
Осуществление изобретения
[0028] Варианты осуществления двигателей внутреннего сгорания и свойства таких двигателей, рассмотренные ниже, позволяют снизить стоимость заправки топливом двигателя с несколькими рабочими камерами за счет использования одного карбюратора или инжектора, уменьшить стоимость и сложность сгорания топлива в нескольких рабочих камерах за счет наличия одного источника воспламенения, который обслуживает рабочие камеры, и создать недорогие и несложные способы охлаждения двигателя, например, за счет специализированных камер с воздушным охлаждением, которые воздействуют на ротор, или подачи топливно-воздушной смеси вовнутрь ротора.
[0029] Таким образом, можно получить компактный, легкий, бесшумный двигатель с оптимальным расходом топлива, при этом простой и дешевый в изготовлении.
[0030] Определения: Если по контексту не требуется иного, используемые в настоящем описании и формуле изобретения, нижеперечисленные термины имеют следующие значения.
[0031] "Ротор" - это узел, имеющий N выступающих частей, являющийся частью двигателя и выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса как часть двигателя.
[0032] "Корпус" - узел с набором (N+1) выступающих частей, выполненный с возможностью перемещения относительно ротора как часть двигателя. Корпус или ротор могут быть неподвижными, или двигатель может быть выполнен таким образом, что ни корпус, ни ротор не являются неподвижными.
[0033] "Рабочая камера" - это камера, образованная между узлом с (N) выступающими частями и узлом с набором (N+1) выступающих частей, в которой имеет место по меньшей мере одна фаза, выбранная из группы, включающей в себя всасывание воздуха или воздушной/топливной смеси, сжатие воздуха, сгорание топлива и расширение продуктов сгорания топлива.
[0034] "Карбюрированный воздух" это свежий воздух, насыщенный парами топлива или горюче-смазочных материалов, например, во время работы карбюратора или инжектора.
[0035] "Камера охлаждения" - камера, образованная между узлом с N выступающими частями и узлом с набором N+1 выступающих частей, и не являющаяся рабочей камерой.
[0036] При описании двух объемов внутри двигателя термин "изоляция текучей средой " или "с изоляцией текучей средой" подразумевает, что эти два объема выполнены таким образом, что при работе двигателя текучая среда, например, невоспламеняемый воздух или побочные продукты сгорания, между двумя объемами не протекает.
[0037] "Начальный объем" или "максимальный объем" камеры сжатия это объем камеры сжатия в момент выполнения цикла двигателя, в который рабочая камера будет изолирована текучей средой от окружающей среды снаружи двигателя. В некоторых вариантах осуществления изобретения, этот объем обозначен как "V1".
[0038] "Конечный объем" или "максимальный объем" камеры расширения - это объем в момент выполнения цикла двигателя, предшествующий моменту, в который рабочая камера больше не будет изолирована текучей средой. В некоторых вариантах осуществления изобретения, этот объем обозначен как "V4".
[0039] "Источником сгорания топлива" может служить любой инжектор в дизельных двигателях; карбюратор вместе с источником воспламенения (например, свеча зажигания или запальная свеча), или инжектор вместе с источником воспламенения (например, свеча зажигания или запальная свеча).
[0040] Первый вариант осуществления изобретения
[0041] Первый вариант осуществления роторного двигателя 100 схематично показан на фиг. 1А-1G, и включает в себя узел с N выступающими частями 110, жестко закрепленный на корпусе 101 двигателя, а также узел с набором N+1 выступающих частей 120, расположенный с возможностью свободного вращения внутри корпуса 101 двигателя. Следует отметить, что в первом варианте осуществления изобретения, узел с N выступающими частями 110 выполнен неподвижным относительно корпуса 101 двигателя, а узел с набором N+1 выступающих частей 120 расположен с возможностью свободного вращения внутри корпуса 101 двигателя. Как будет более подробно рассмотрено ниже, во время работы ротор 110 расположен внутри полости 126 корпуса 120, выполненного с возможностью вращения вокруг ротора 110 и образования рабочих камер двигателя внутреннего сгорания.
[0042] Однако следует отметить, что в других вариантах осуществления изобретения корпус 120 может быть неподвижно закреплен на корпусе 101 двигателя, а ротор 110 выполнен с возможностью свободного вращения внутри корпуса 120. Например, ротор 110 может иметь вращающееся соединение с приводным валом 150, а корпус 120 может быть неподвижно соединен с корпусом 101 двигателя через крышку 132, например, таким образом, что движение ротора 110 способствует вращению эксцентрика на приводном валу 150. Таким образом, движение ротора 110 относительно корпуса 120 может быть обеспечено способами, описание которых будет приведено ниже, что позволяет считать применимым описание выполнения цикла двигателя, который будет рассмотрен ниже.
[0043] Как правило, существует несколько возможных конфигураций двигателя, выполненных на основе геометрии, показанной на фиг. 1А и фиг. 1F:
[0044] (I) Узел 120 выполнен неподвижным; а узел 110 выполнен с возможностью осуществления сложного вращательного движения: т.е. он может осуществлять вращение вокруг эксцентрика 152 с угловой скоростью - Ω, а его центр, совпадающий с эксцентрической частью 152 вала 150, может осуществлять вращение с угловой скоростью вала +2Ω;
[0045] (II) Узел 110 выполнен неподвижным; а узел 120 выполнен с возможностью осуществления сложного вращательного движения: т.е. он может осуществлять вращение вокруг вала эксцентрика 152 с угловой скоростью - Ω, а его центр, совпадающий с эксцентрической частью 152 вала 150, может осуществлять вращение с угловой скоростью вала +2Ω; и
[0046] (III) Оба узла 120 и 110 выполнены с возможностью вращения вокруг двух различных неподвижных осей. Узел 110 закреплен на валу 150.
[0047] На фиг. 1А схематично показан роторный двигатель 100, вид в разрезе которого изображен на фиг. 1В, а на фиг. 1С схематично показан двигатель 100 в разобранном виде.
[0048] Двигатель 100 содержит приводной вал 150, который проходит через корпус 101 двигателя и задает ось, вокруг которой может вращаться корпус 120. На фиг. 1Е ось, вокруг которой может вращаться корпус 120, схематично показана линией 159, причем эта линия 159 не является физическим элементом приводного вала 150. Приводной вал 150 установлен внутри двигателя 100 с возможностью вращения с помощью нескольких подшипников 155, размещенных по его длине, и проходит сквозь корпус 101 двигателя, крышку 131 ротора, ротор 110, корпус 120 и крышку 132 двигателя. Уплотнения 170 предотвращают поток рабочих газов, выходящих из двигателя 100, между ротором 110 и приводным валом 150. Как будет рассмотрено ниже, в некоторых вариантах осуществления изобретения, уплотнения 170, ротор 110 и приводной вал 150 составляют часть топливного трубопровода 106.
[0049] Ротор 110 жестко закреплен на корпусе 101 двигателя с помощью гайки 102, надеваемой на шейку 113 с резьбой, проходящую через крышку 131 ротора и стенку 104 корпуса 101 двигателя. В этом варианте осуществления изобретения, ротор 110 выполнен в виде циклоидального диска с двумя выступающими частями (т.е. N=2), однако в другом варианте осуществления изобретения выступающих частей может быть 1, 3, 4 или более. Ротор 110 состоит из внутренней рабочей камеры 117 ротора, впускного канала 115 и выпускного канала 116, выполненного между внутренней рабочей камерой 117 ротора и радиальной поверхностью 111 ротора 110. Впускной канал ротора 115 и выпускной канал ротора 116 могут иметь обратный клапан (например, пластинчатый клапан, типа клапана 117, схематично показанного на фиг. 5Н), пропускающий топливо только в одном направлении (т.е. из ротора 110 через впускной канал 115, а в ротор 110 через выпускной канал 116).
[0050] Корпус 120 имеет вращающееся соединение с приводным валом 150 посредством эксцентрика 152, который в настоящем варианте осуществления изобретения расположен в одном из подшипников 155 (для удобства поиска обозначенного на фиг. 1Е как 155А), так, что подшипник 155А находится между эксцентриком 152 и корпусом 120. В настоящем варианте осуществления изобретения, корпус 120 выполнен с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения приводного вала 150 и со скоростью меньшей его угловой скорости, обеспечивая, при этом, вращение приводного вала 150. Например, если угловая скорость приводного вала составляет 3W, то угловая скорость корпуса 120 равна -W.
[0051] Эксцентрик 152 управляет движением корпуса 120 во время такта сжатия цикла двигателя, и управляется корпусом 120 во время такта расширения цикла за счет передачи от эксцентрика 152 на корпус 120 усилия от расширяющихся в двигателе газов. Как будет рассмотрено ниже, в некоторых вариантах осуществления изобретения для управления корпусом 120 может быть использован рычаг с направляющим штифтом, закрепленный на приводном валу 150 посредством пальца в корпусе 120, или, наоборот, посредством пальца в рычаге, входящего в зацепление с пазом в корпусе 120.
[0052] Ротор 110 расположен в полости 126 корпуса 120, а крышка 131 ротора жестко соединена с корпусом 120, так чтобы закрыть ротор 110 в полости 126 корпуса.
[0053] Корпус 120 содержит (N+1) ролики 128, по одному в каждой вершине 129 между областями 123, принимающими выступающие части. Области, принимающими выступающие части, являются частями полости 126 корпуса. Во время работы, ролики 128, управляемые ротором 110, обеспечивают вращение и покачивание корпуса 120 вокруг ротора 110. Таким образом, корпус 120 выполняет вращательное движение вокруг оси (159) приводного вала 150 со скоростью, составляющей 1/3 от скорости приводного вала 150 и, одновременно, вокруг собственной оси симметрии. Ролики 128 также служат уплотнениями вершины.
[0054] В дополнительных вариантах осуществления изобретения, корпус 120 может содержать обычные подпружиненные уплотнения вершины (например, 125 на фиг. 1Е или 551В на фиг. 5Е).
[0055] Как правило, двигатель 100 содержит уплотнения между ротором 110 и корпусом 120, а также между ротором 110 и крышкой 131, которые предотвращают или препятствуют утечке топлива изнутри полости 126 корпуса. Для этого, ротор 110 может иметь подпружиненные боковые уплотнения 160, которые предотвращают поток топлива между ротором 110 и корпусом 120 или между ротором 110 и крышкой 131 ротора. С другой стороны, корпус 120 и/или крышка 131 ротора могут содержать указанные боковые уплотнения 160 с той же целью, поскольку каждое боковое уплотнение 160 установлено между уплотнениями вершины ротора (например, роликами 128 или уплотнениями 125) с образованием защитной сетки.
[0056] Как будет рассмотрено ниже, в процессе работы, N+1 области 123, принимающие выступающие части, и выступающие части корпуса 120, наряду с крышкой 131 ротора, циклически образуют рабочие камеры 301, 302 и 303, которые циклически подвергаются сжатию и расширению.
[0057] На фиг. 3А-3Е схематично показана последовательность рабочих операций двигателя 100 и его трех рабочих камер 301, 302 и 303, по мере выполнения двигателем 100 различных фаз четырехтактного цикла. Рабочие камеры 301, 302 и 303 образованы между областями 123, принимающими выступающие части, выступающими частями ротора 110 и крышками 131, 132. Запуск двигателя 100 происходит один раз за один оборот приводного вала 150. Скорость вращения корпуса 120 составляет 1/3 от скорости вращения приводного вала 150, поэтому он выполняет 3 цикла запуска за каждый оборот корпуса 120.
[0058] Как показано на фиг. 3А-3Е, для большей наглядности дальнейшего объяснения римские цифры (I, II, и III) указаны в верхней части каждой рабочей камеры (301, 302 и 303, соответственно). Приведенная ниже Таблица 1 описывает такты, происходящие в каждой из этих трех рабочих камер (301, 302, 303) при вращении корпуса 120 по часовой стрелке в пяти различных положениях, которые схематично показаны на фиг. 3А-3Е.
[0059] Как схематично показано на фиг. 3А, в рабочей камере 301 происходит сгорание топлива со сжатым воздухом. Доставка топлива в рабочую камеру 301 осуществляется через подающий топливопровод 118, а впрыскивание в рабочую камеру 301 осуществляется с помощью инжектора 200 во время вращения корпуса 120. В настоящем варианте осуществления изобретения, топливо поступает в ротор 110 через подающий топливопровод 118, и через ротор 110 и топливный трубопровод 106 проводится к инжектору 200. По существу, один инжектор 200 обслуживает каждую рабочую камеру (301, 302, 303) двигателя 100. Наличие одного инжектора 200 и/или одного источника воспламенения (например, свечи зажигания), которая может обслуживать несколько рабочих камер (301, 302, 303), позволяет значительно уменьшить стоимость и сложность двигателя 100.
[0060] Инжектор 200 состоит из верхнего корпуса 202 и нижнего корпуса 206. Нижний корпус 206 инжектора может быть выполнен из непроводящего материала. Подача топлива в инжектор 200 осуществляется через впускной канал 210, по которому топливо поступает во внутреннюю камеру 207 сгорания внутри инжектора 200. Воздействие внешнего усилия, например, усилия кулачка 154, обеспечивает проталкивание поршня 201 в нижний корпус 206 инжектора, с последующим выдвижением пальца (или оси) 205 из отверстия 208, обеспечивая, таким образом, возможность подачи топлива из внутренней камеры 207 сгорания в рабочую камеру корпуса 120. Пружины 203 и 204 обеспечивают возврат поршня 201 и пальца 205 в исходные положения в инжекторе 200, при этом отверстие 208 закрыто, а топливо поступает в рабочую камеру 207 через канал 210.
[0061] Поток воздуха в двигатель 100 и поток выхлопных газов из двигателя схематично показаны сплошной и пунктирной линиями на фиг. 1D. Приточный воздух (известный как "всасываемая смесь") снаружи двигателя 100 поступает в корпус 101 двигателя через отверстие или отверстия 103 на поверхности 104 корпуса 101 двигателя. Всасываемая смесь проходит между корпусом 101 двигателя и радиальной поверхностью 133 крышки 131 ротора в рабочую камеру 117 ротора. Оттуда, свежая смесь поступает через всасывающее отверстие 115 ротора в одну из указанных рабочих камер (301, 302, 303). Например, свежая смесь может поступать в рабочую камеру 303 через впускной канал 115, показанный на фиг. 3D.
[0062] Как схематично показано на фиг. 3В, по мере вращения корпуса 120, область 123А, принимающая выступающие части, входит в зацепление с выступающей частью 110А ротора 110, образуя рабочую камеру 302. Таким образом, свежая смесь может быть подвержена сжатию. Как правило, в некоторых вариантах осуществления изобретения, каждая область 123, принимающая выступающие части, корпуса 120, содержит камеру 127 сгорания, составляющую часть рабочих камер (301, 302, 303), где происходит сжатие свежей смеси. В вариантах осуществления изобретения, где использована камера 127 сгорания, инжектор 200, управляемый кулачком 154 с тремя выступающими частями (фиг. 1Е), который вырезан на валу 150, обеспечивает впрыскивание топлива в сжатый воздух в рабочей камере 301, и в частности в камере 127 сгорания. В некоторых вариантах осуществления изобретения, свежая смесь может быть сжата до или свыше той степени, при которой может иметь место самопроизвольное воспламенение топлива (например, зажигание дизельного двигателя). В других вариантах осуществления изобретения, двигатель 100 также содержит устройство зажигания, например, свечу зажигания или запальную свечу, обеспечивающие начало сгорания. Такое устройство зажигания может являться частью инжектора 200. Например, высокое напряжение может быть подано на ось 205, находящуюся на минимальном расстоянии от заземленного корпуса ротора 110, непосредственно в положении верхней мертвой точки, т.е. когда для начала горения необходима искра. Таким образом, одно устройство зажигания может обслуживать несколько рабочих камер, уменьшая стоимость и сложность двигателя.
[0063] В фазе сгорания объем рабочей камеры 302 остается постоянным во время сгорания при повороте корпуса 120 (фиг. 3С) на угол примерно 15, 20 или 25 градусов вследствие геометрии корпуса 120 и ротора 110, при этом дуга областей 123, принимающих выступающие части, примерно совпадает с дугой выступающей части 110А.
[0064]
После сгорания, побочные продукты сгорания начинают расширяться, обеспечивая дальнейшее вращение корпуса 120 (фиг. 3D). По мере вращения корпуса 120 (фиг. 3Е), побочные продукты сгорания поступают через выхлопное отверстие 116 ротора в рабочую камеру 117 ротора. Оттуда, побочные продукты сгорания проходят через одно или несколько отверстий 122 в корпусе 120 и выводятся из двигателя 100 через отверстие 133 крышки.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, впускной канал 115 ротора и выпускной канал 116 ротора могут быть выполнены в роторе 110 с возможностью создания начального объема рабочей камеры (например, 301, 302, 303) в начале такта сжатия, который меньше конечного объема этой рабочей камеры в конце такта расширения. Например, на фиг 3А, выпускной канал 116 ротора расположен ближе к верхней части 110 В выступающей части 110А ротора 110, чем впускной канал 115 ротора. Такое асимметричное расположение впускного канала 115 ротора и выпускного канала 116 ротора позволяет получить начальный объем, который меньше конечного объема каждой рабочей камеры 301, 302, 303.
[0065] Фиг. 4A-4F
[0066] Фиг. 4A-4F схематично показывают разнообразные опции и свойства различных двигателей. Эти свойства и их использование применимы, помимо прочего, к рассматриваемым в настоящем описании примерам осуществления различных двигателей. Для наглядности описание этих свойств приведено ниже применительно к роторному двигателю 400.
[0067] Топливный бак 401 с крышкой 402 закреплен на двигателе 400 с помощью крепежной скобы 403 (фиг. 4а). Бак 401 сообщается по текучей среде с каналом 404 для подачи топлива, через который топливо из бака 401 поступает в одну или несколько рабочих камер внутри двигателя 400.
[0068] Как схематично показано на фиг. 4В и 4С, в некоторых вариантах осуществления изобретения топливо поступает в двигатель 400 из выполненного с возможностью вставки сменного картриджа 411. Как схематично показано на фиг. 4Е, картридж 411 содержит герметичный клапан, или интерфейс, состоящий из резиновой мембраны 416 и фольги 417. Резиновая мембрана 416 изолирует топливо в картридже 411, а фольга 417 предотвращает разложение резины мембраны 416. В эксплуатации, канал 404 для подачи топлива (фиг. 4С) легко проходит через резиновую мембрану 416 и фольгу 417, поскольку картридж 411 опущен в положение, показанное на фиг. 4В, обеспечивая, таким образом, сообщение по текучей среде между картриджем 411, и в частности, внутренним объемом 412 картриджа, с каналом 404 для подачи топлива. Для замены картриджа 411 его необходимо вынуть из впускного канала 404. По существу, картридж выполнен с возможностью замены и вставки.
[0069] Наличие картриджа 411 создает множество потенциальных преимуществ и опций. Пусть, предложен (разработан) недорогой одноразовый картридж 411 для однократной подачи топлива в двигатель, а также держатель (например, крепежная скоба 403) для удержания картриджа 411 на месте в двигателе 400, например как показано на фиг. 4В. В процессе заполнения картриджа может иметь место фильтрация топлива, что устраняет необходимость использования топливного фильтра в двигателе 400. Для утилизации картриджи 404 должны быть возвращены продавцу. Топливо в картридже может быть предварительно смешано с маслом или другими добавками для оптимизации работы двигателя и снижения требований, предъявляемых к интерфейсу пользователя при получении надлежащего топлива, введении жидкого топлива в двигатель 400, а также подаче надлежащего количества масла в двигатель 400. Могут быть использованы нестандартные виды топлива (которые отсутствуют на автозаправочных станциях). Может быть также использовано топливо с низким содержанием этанола, при этом снижена вероятность повреждения двигателя из-за присутствия этанола, который все чаще встречается на автозаправочных станциях и является главным источником преждевременного отказа двигателей малого объема. Картридж 411 может быть использован в двигателе любого типа, причем его использование не ограничено двигателями малого объема или роторными двигателями.
[0070] Модифицированная приводная система схематично показана на фиг. 4D, где изображен приводной вал 150, имеющий выступающую часть 413 с прорезями, жестко сцепленную с пальцем 414 или шарнирно соединенную с ротором 436.
[0071] Как показано на фиг. 4F, чтобы облегчить охлаждение внутренних элементов двигателя 400 в передней крышке 420 и охлаждающих каналах 419 может быть выполнена прорезь 418. К другим способам (не показаны) можно отнести: а) использование тепловой трубы, которая быстро отводит тепло от инжектора и области, окружающей неподвижные детали, и направляет его к стороне всасывания, б) охлаждение смеси, например циркуляция всасываемой воздушной смеси таким образом, что приточная смесь воздуха, поступающая в рабочую камеру, сначала проходит вблизи инжектора/свечи зажигания, масляное или водяное охлаждение, например, с использованием водяной рубашки для неподвижного элемента; обеспечение протекания жидкости через каналы во вращающемся узле, и т.д.
[0072] Модуляция топлива - для управления уровнем мощности двигателя, среди многих возможных методов может включать в себя обычный соленоид, размещенный на плунжере (поршне) инжектора, или варьируемое и контролируемое число выступающих частей на кулачке, приводящем плунжер в действие. Также можно ограничить поток всасываемой свежей смеси, контролируя таким образом количество воздуха или воздушно-топливной смеси, поступающей в рабочую камеру. Ограничение может быть осуществлено с помощью всасывающего патрубка карбюратора или путем использования впускного/выпускного клапанов тарельчатого, вращающегося, лепесткового или любого другого соответствующего типа (которые можно именовать "клапанами обычного типа").
[0073] Второй вариант осуществления изобретения
[0074] Фиг. 5А-5Н схематично показывают дополнительный вариант осуществления роторного двигателя 500 внутреннего сгорания, а на фиг. 6A-6J схематично показана работа двигателя 500.
[0075] Двигатель 500 содержит приводной вал 550, проходящий через ротор 510, окружной корпус 520, впускную крышку 530 двигателя и выхлопную крышку 540 двигателя. Приводной вал 550 содержит кулачок 551, выполненный с возможностью вращения внутри ротора 510. Ротор 510, в свою очередь, выполнен с возможностью вращения внутри окружного корпуса 520. Схематичное изображение рабочего цикла двигателя 500 и его описание приведены со ссылкой на фиг. 8А (симметричное расположение каналов) или фиг. 8В (дросселированный впуск или избыточное расширение). С другой стороны, асимметричные каналы (т.е. один канал расположен ближе к вершине выступающей части ротора, чем другой) могут быть использованы в роторе для получения истинного цикла избыточного расширения (показан, например, впускным каналом 916 и выпускным каналом 917 на фиг. 9В), причем указанные каналы расположены асимметрично, обеспечивая задержку закрытия впускного канала, а, следовательно, и более длинный такт расширения по сравнению с тактом сжатия).
[0076] На фиг. 5А схематично показан роторный двигатель 500, на фиг. 5В схематично показан циклоидный роторный двигатель 500 в разобранном виде, а на фиг. 5С схематично показан вид циклоидного роторного двигателя 500 в разрезе. Двигатель 500 содержит корпус 520, в теле 520А которого (именуемом "окружной частью") выполнено отверстие 520 В, и который имеет впускную крышку 530 и выхлопную крышку 540. В некоторых вариантах осуществления изобретения, впускная крышка 530 и/или выхлопная крышка 540 составляют неотъемлемую часть тела корпуса 520А, и образуют плоскую поверхность, аксиально смещенную относительно ротора 510 и обращенную к нему. В других вариантах осуществления изобретения, корпус 520 и крышки 530 и 540 скреплены между собой болтами 529. Таким образом, впускную крышку 530 и/или выхлопную крышку 540 можно просто считать плоской частью корпуса 520. Корпус 520А, впускная крышка 530 и выхлопная крышка 540 имеют постоянную пространственную взаимосвязь между собой и образуют полость 544 для размещения ротора 510. Полость 544 включает в себя области 321 и 322, принимающие выступающие части, и область 523 охлаждения.
[0077] Кроме корпуса 520, фиг. 5А и 5В содержат множество других узлов двигателя 500. Как будет рассмотрено ниже, дополнительный вентилятор 585 создает воздушный поток, предназначенный для охлаждения двигателя 500. В настоящем варианте осуществления изобретения, двигатель 500 также содержит карбюратор 580, прикрепленный к двигателю 500 крепежной скобой 581. Карбюратор 580 предназначен для смешивания топлива с приточным воздухом и образования, подаваемой в рабочую камеру двигателя 500, карбюрированной (обогащенной) смеси, которая сгорает и используется в качестве рабочей среды. Однако, в других вариантах осуществления изобретения, впрыск топлива может осуществляться непосредственно в рабочую камеру сжатого воздуха, а сгорание топлива может быть обусловлено сжатием, запальной свечой или искрой зажигания. Таким образом, устройствами 539А и 539В на фиг. 5А-5Н могут служить свечи зажигания, запальные свечи или инжекторы.
[0078] Ротор 510 имеет вращающееся соединение с приводным валом 550 внутри двигателя 500. Приводной вал 550 выполнен с возможностью вращения вокруг центра (или оси) 559 вала 550, и содержит эксцентричный участок 551, который смещен относительно вала на величину, равную "е". Вращение вала 550 обусловлено усилием, приложенным к эксцентричному участку 551 вала 550. Двигатель 500 содержит противовесы 582, размер, вес и расположение которых выбрано так, чтобы уравновесить ротор 510 и узел 550 вала при его вращении. Противовесы 582 могут быть расположены внутри объема ротора 510, однако они жестко соединены с валом 550 и выполнены с возможностью вращения в направлении и со скоростью вращения вала 550. Ротор 510 выполнен с возможностью поворота в направлении, противоположном направлению вращения вала 550 и с другой скоростью.
[0079] Как схематично показано на фиг. 5Е-5Н, в настоящем варианте осуществления изобретения, ротор 510 имеет две выступающие части 510А, 510В, а корпус 520 имеет две области 521 и 522, принимающие выступающие части, а также область 523 охлаждения.
[0080] Выступающие части 510А, 510В изогнуты и имеют кривизну. Области 521 и 522, принимающие выступающие части, ограничены равным количеством пересекающихся изгибов (кривых), которые формируют выступы 525, 526, 527 корпуса, по одному выступу корпуса в каждом месте пересечения. Кривизна изгибов, ограничивающих области 521 и 522, принимающие выступающие части, аналогична по форме кривизне выступающих частей 510А, 510В, так что внутренний изгиб областей 521, 522, принимающих выступающие части, совпадает с внешним изгибом выступающей части 510А, 510В - за исключением того, что между двумя изгибами должен существовать маленький промежуток для компенсации производственных допусков и теплового расширения деталей, так, чтобы любая выступающая часть 510А, 510В могла полностью занять любую область 521, 522, принимающую выступающие части.
[0081] Как более подробно будет рассмотрено ниже, каждый выступ 525, 526, 527 корпуса, в свою очередь, имеет уплотнение 551А, 551В, 551С радиально смещенное для создания непрерывного плотного контакта с ротором 510 и образования нескольких рабочих камер.
[0082] На фиг. 7А и 7В схематично показан дополнительный узел ротора 510. Шестерня 710 расположена в полости 711. Шестерня 710 и эксцентрик 551 фазируют и устанавливают ротор в такое положение, при котором ротор 510 может качаться внутри корпуса 520, но не вступает в контакт с областями, принимающими выступающие части. Во время работы двигателя 500, эксцентрик 551 обеспечивает подачу энергии от вращающегося ротора 510 на механизмы трансмиссионного привода (не показан). Например, примерами механизмами трансмиссионного привода могут служить вал инструмента для обработки газона, такого как привод ножа газонокосилки, приводные колеса самоходной газонокосилки или ось трансмиссии, соединенная с поворотной лопастью или струной режущего инструмента.
[0083] Как схематично показано на фиг. 5Е-5Н, область 523 охлаждения может иметь форму, отличную от кривизны областей 521 и 522, принимающих выступающие части, кроме того, область охлаждения и выступающие части 510А и 510В могут не образовывать рабочую камеру при вхождении выступающих частей 510А, 510В в область 523 охлаждения.
[0084] Каждая выступающая часть 510А, 510В ротора 510 имеет одно или несколько отверстий 570. На фиг. 5Е отверстия 570 частично ограничены радиальными выступами (или пластинами) 571. Как схематично показано выступами 571F в виде лопастей вентилятора на фиг. 9С, в некоторых вариантах осуществления изобретения радиальные выступы 571 выполнены в виде лопастей вентилятора, направляющих воздушный поток в двигатель 500.
[0085] Поток охлаждающего воздуха через двигатель 500 схематично показан на фиг. 5D, а также на фиг. 5F, 5G и 5Н. Поток охлаждающего воздуха берет свое начало с всасывания холодного воздуха 566 через охладительное отверстие 531 в крышке 530. В варианте осуществления изобретения с вентилятором 585, всасывание воздуха 566 происходит с помощью вентилятора 585 через охладительное отверстие 531, а в вариантах осуществления изобретения с радиальными выступами 571 в виде лопастей вентилятора, выступы 571 могут всасывать воздух 566 через охладительное отверстие 531 при вращении ротора 510.
[0086] Затем охлаждающий воздух протекает через ротор 510. В частности, охлаждающий воздух 566 протекает через отверстия 570 по мере прохождения выступающих частей 510, 510В ротора 510 через область 523 охлаждения. Отверстия можно рассматривать как канал, проходящий через ротор 510, в который поступает поток охлаждающего воздуха 566. Проходя через ротор 510, охлаждающий воздух охлаждает ротор 510, который, в свою очередь, обеспечивает нагрев этого охлаждающего воздуха. Кроме того, смесь охлаждающего воздуха 566 с продуктами горения из двигателя 500 образует выхлоп 567, покидающий ротор 510 через охладительное выхлопное отверстие 541 в крышке 540, отводя часть тепла ротора 510. Как схематично показано на фиг. 5D и 5Н, поток охлаждающего воздуха можно рассматривать как аксиальный поток, поступающий в двигатель 500 и проходящий через него, в направлении, по существу, параллельном оси 559. На фиг. 5Н также схематично показан пластинчатый клапан 517, взаимодействующий с отверстием 516, через который побочные продукты горения 567 поступают в выхлопную камеру 570Е ротора, и который предотвращает поток текучей среды через отверстие 516 в обратном направлении, т.е. из выхлопной камеры 570Е ротора. В настоящем варианте осуществления изобретения, пластинчатый клапан 517 содержит откидную створку 517F, закрепленную на внутренней поверхности 510S ротора 510 с помощью гайки 517N, таким образом, что она закрывает отверстие 516.
[0087] Как было сказано выше, охлаждающий воздух 566 проходит через двигатель 500, но при этом не проходит через рабочую камеру и не используется в ней, кроме того, поток этого воздуха (например, через клапан) не может быть регулируемым, сжатым или расширенным. Охлаждающий воздух отличен от свежей смеси, используемой при сгорании.
[0088] По мере вращения ротора 510 относительно корпуса 520 двигатель 500 обеспечивает выполнение цикла, описание которого приведено ниже. Фиг. 8А и 8В схематично показывают два цикла двигателя, которые могут быть выполнены двигателем 500.
[0089] Каждая точка цикла характеризуется объемом и давлением. Как схематично показано на фиг. 8А и 8В, двигатель 100 может обеспечивать возможность выполнения любого из двух рассмотренных ниже циклов.
[0090] В первом варианте выполнения цикла двигателя (фиг. 8А), V1, V2, V3 и V4 - объемы рабочей камеры в точках 1, 2, 3, и 4 соответственно, a P1, Р2, Р3 и Р4 - давление внутри рабочей камеры в точках 1, 2, 3, и 4 соответственно:
[0091] Точка 1 (801), отображает начало цикла, характеризующееся значениями V1 и Р1 (давление окружающей среды);
[0092] Точка 2 (802), отображает окончание сжатия - V2 и Р2>Р1.
[0093] Точка 3 (803) отображает окончание сгорания - V3≈V2 (постоянный объем горения), а Р3>>Р2.
[0094] Точка 4 (804) отображает окончание расширения - V4>V1, а Р4>Р1.
[0095] Во втором варианте выполнения цикла двигателя (фиг. 8В), V11, V12, V13, V14, V15 и V16 - объемы рабочей камеры в точках 11, 12, 13, и 14, 15 и 16 соответственно, а Р11, Р12, Р13, Р15 и Р16 - давление внутри рабочей камеры в точках 11, 12, 13, 14, 15 и 16 соответственно:
[0096] Точка 11 (811) отображает начало цикла, характеризующееся значениями V1 и Р1 (давление окружающей среды). В этой точке, рабочая камера закрыта и не имеет сообщения по текучей среде с атмосферой.
[0097] Точка 12 (812) отображает окончание сжатия - V12 и Р12>Р1;
[0098] Точка 13 (813) отображает окончание сгорания - V13≈V12 (постоянный объем горения), а Р13>>Р12.
[0099] Точка 14 (814) отображает окончание расширения - V14>V11, а Р14>Р11 = давлению окружающей среды. В этой точке, рабочая камера имеет сообщение с атмосферой, поэтому давление внутри рабочей камеры равно давлению окружающей среды.
[00100] По достижении рабочей камерой объема, присущего точке 14 (814), двигатель уменьшает объем рабочей камеры с V14 до V15 в точке 15 (815). Между точками 14 (814) и 15 (815) объем рабочей камеры уменьшается, однако давление внутри рабочей камеры остается равным атмосферному давлению (например, одной атмосфере). Т.е. V15 [00101] Давление рабочей камеры возрастает от значения в точке 15 (815) до объема V23 в точке 16 (816). В течение этого периода рабочая камера имеет частично-ограниченную связь с атмосферой, и таким образом поток воздуха в двигатель ограничен или дросселирован. Увеличение в объеме при ограничении потока свежей смеси через карбюратор 580, фиг. 5F, способствует снижению давления внутри рабочей камеры ниже атмосферного давления. По достижении объемом рабочей камеры объема, соответствующего точке 16 (816), сообщение по текучей среде рабочей камеры с атмосферой будет отсутствовать. Продолжение вращения ротора обеспечивает уменьшение объема рабочей камеры. Происходит сжатие воздуха, и давление внутри рабочей камеры возрастает до значения в точке 11 (811). При объеме V12, точка 44 (844), имеет место окончание сжатия. До тех пор, пока ротор не достигнет точки 11 (811), давление внутри рабочей камеры будет ниже окружающего атмосферного давления. К этому времени в рабочую камеру будет подана свежая смесь воздушно-топливной смеси. [00102] В некоторых вариантах осуществления изобретения один карбюратор 580 обеспечивает прохождение воздуха через две соседние рабочие камеры с помощью трубопроводов 561 и пластинчатого/обратного клапанов 517 (см. фиг. 5F, 5G и 5Н) с возможностью открытия пластинчатого/обратного клапана 590 в камере, находящейся в такте впуска. Подача топлива в рабочую камеру всасывания может быть также осуществлена через карбюратор. Другими словами, воздух является карбюрированным. [00103] Во многих случаях желательно обеспечить бесшумную работу двигателя. В некоторых вариантах осуществления изобретения, бесшумная работа двигателя (например, 500, 900) может быть обеспечена за счет избавления от шумных деталей, используемых в других четырехтактных двигателях, например, тарельчатых клапанов (прерывистых металлических контактов), стука поршня (например, дребезжания и ударения поршня о канал цилиндра) и быстрого падения давления при выхлопе газов в атмосферу. Снижение давления при выхлопе может быть уменьшено за счет дросселирования воздуха в такте всасывания. Дросселирование, в этом случае, означает, что двигатель выполнен с возможностью уменьшения объема в камере всасывания, когда воздушно-топливная смесь находится в вакууме по завершении фазы всасывания. Однако в фазе расширения расширение газов до полного объема камеры расширения происходит до достижения значения атмосферного давления, что способствует уменьшению шума выхлопа. Пример этого процесса показан на фиг. 8В. [00104] Цикл, показанный на фиг. 8В, отличается несколькими заслуживающими внимания характеристиками. Во-первых, окончание цикла происходит при атмосферном давлении (например, одна атмосфера). Это способствует менее шумной работе двигателя, по крайней мере, из-за отсутствия звукового выхлопа при выходе газа под давлением во время открытия рабочей камеры в точке 14 (814). Во-вторых, начальный объем камеры сжатия [т.е. в точке 11 (811)] меньше конечного объема камеры расширения [т.е. в точке 14 (814)]. Это избыточное расширение побочных продуктов горения (т.е. расширение побочных продуктов горения в камере расширения до объема, превышающего начальный объем камеры сжатия) обеспечивает большую эффективность двигателя, чем могло бы быть при отсутствии избыточного расширения. [00105] На фиг. 5F и 5G, а также фиг. 6A-6J схематично показана последовательность рабочих операций двигателя 500 и его двух рабочих камер 610 и 620, поскольку двигатель 500 проходит различные фазы четырехтактного цикла (см. Таблицу 2). [00106] На фиг. 5F и 5G и фиг. 6A-6J, вращение ротора 510 происходит по часовой стрелке, а вращение приводного вала 550 происходит против часовой стрелки. При вращении ротора 510 внутри корпуса 520, выступающие части 510А, 510В могут поочередно входить в области 521 и 522, принимающие выступающие части, и область 523 охлаждения, а также выходить из них. Когда выступающая часть 510А взаимодействует с областью 521, принимающей выступающие части, выступающая часть 510А, корпус 520, и стороны 530 и 540 образуют рабочую камеру 610, изолированную текучей средой от других областей двигателя. Аналогично ротор 510 и область 522, принимающая выступающие части, образуют вторую рабочую камеру 620. Однако, как будет показано ниже, ротор 510 и область 523 охлаждения не образуют рабочую камеру. [00107] На фиг. 6А показано начало входа выступающей части 510В в область 521, принимающую выступающие части, с образованием рабочей камеры 610, изолированной текучей средой от атмосферы. На этом этапе цикла, давление в рабочей камере 610 ниже давления среды, окружающей двигатель 500. Кроме того, на фиг. 6А, выступающая часть 510А занимает область 522, принимающую выступающие части, и находится в такте выхлопа или близка к ее окончанию. В этом случае, побочные продукты 568 горения проходят через отверстие 516 и пластинчатый клапан 517 в полость 570Е выхлопа в роторе 510 (см. фиг. 5Е). Кроме того, на фиг. 6А, участок выступающей части 510В находится в области 523 охлаждения, а охлаждающий воздух 566 проходит через область 523 охлаждения и ротор 510, охлаждая его. Следует отметить, что в этой точке, выступающая часть 510В эффективно подвержена влиянию атмосферы. [00108] На фиг. 6В показано вращение ротора 510 по часовой стрелке и начало сжатия свежей смеси воздуха в рабочей камере 610. Одновременно, начинается всасывание свежей смеси воздуха и топлива (образующих "рабочую среду") в рабочую камеру 620 из карбюратора 580. В некоторых вариантах осуществления изобретения, свежая смесь воздуха и топлива проходит через обратный клапан (583А, 583В на фиг. 5Е, или 590 на фиг. 5Н, иллюстрирующих два варианта осуществления обратных клапанов), который обеспечивает поток свежей смеси воздуха и топлива только в одном направлении, т.е. в рабочую камеру двигателя 500. Участок выступающей части 510В все еще находится в области 523 охлаждения и охлаждается воздухом 566. [00109] На фиг. 6С показано вращение ротора 510 по часовой стрелке. Сжатие свежей смеси в рабочей камере 610 закончено или почти закончено, а сжатие рабочей среды происходит в камере 528А зажигания, составляющей часть рабочей камеры 610. Зажигание рабочей среды в рабочей камере 610 обеспечивает свеча 539А зажигания. [00110] Следует отметить, что в дополнительных вариантах осуществления изобретения, рабочей средой является исключительно свежая смесь воздуха, поступающая в рабочую камеру 610 в отсутствие топлива. В таких вариантах осуществления изобретения топливо может быть подано непосредственно в рабочую камеру 610, например, в камеру 528А зажигания, а вследствие сжатия- зажигания будет иметь место самопроизвольное воспламенение топлива, или искровое зажигание, или зажигание с помощью запальной свечи. Однако, для удобства иллюстрации, в настоящем описании будет рассмотрено искровое зажигание в цикле по фиг. 8В. [00111] На фиг. 6С, рабочая камера 620 продолжает всасывание свежей смеси карбюрированного воздуха, а участок выступающей части 510А находится в рабочей камере 523, где на выступающую часть 510А и любые побочные продукты сгорания в выхлопной камере 570Е ротора воздействует поток охлаждающего воздуха 566, например, через отверстие 570Е. Следует отметить, что в этой точке, по меньшей мере, участок выступающей части 510А эффективно подвержен влиянию атмосферы. [00112] На фиг. 6D показано дальнейшее вращение ротора 510 по часовой стрелке. Продолжающее вращение ротора 510 по часовой стрелке обусловлено началом расширения побочных продуктов горения в рабочей камере 610. Рабочая камера 620 продолжает всасывание свежей смеси карбюрированного воздуха, а выступающая часть 510А еще более проникает в рабочую камеру 523, при этом на выступающую часть 510А и любые побочные продукты горения в выхлопной камере 570Е воздействует поток охлаждающего воздуха 566. [00113] На фиг. 6Е показан поворот ротора 510 еще на небольшой угол по часовой стрелке. При этом в рабочей камере 610 будет достигнут максимальный объем расширения, а давление побочных продуктов горения в рабочей камере 610 будет равно давлению окружающей среды. В рабочей камере 620 будет иметь место сжатие рабочей среды, а на выступающую часть 510А в рабочей камере 630 будет оказано вышеуказанное воздействие. [00114] Образование выхлопной камеры 611 обусловлено вхождением выступающей части 510А в область 521, принимающую выступающие части (фиг. 6F). Дальнейшее вращение ротора 510 способствует уменьшению объема выхлопной камеры 611, а побочные продукты горения проникают в выхлопную камеру 571 ротора и, в конечном счете, выводятся из двигателя 500. По окончании сжатия в рабочей камере 620, происходит воспламенение топлива и воздуха в камере 528В горения. В вышеуказанное воздействие продолжает воздействовать на выступающую часть 510А в камере 630. [00115] На фиг. 6G показано, что область 521, принимающая выступающие части, полностью занята выступающей частью 510А, а такт выхлопа закончен. По мере вращения ротора 510 по часовой стрелке, в ответ на расширение побочных продуктов горения в рабочей камере 620, объем рабочей камеры 620 увеличивается. Выступающая часть 510В частично входит в область 523, при этом на нее воздействует охлаждающий воздух 566. Однако, т.к. выступающая часть 510В не вносит и не выносит с собой побочные продукты горения, то и охлаждающий воздух 566 не смешивается с такими побочными продуктами горения и не отводит их (фиг. 6G). Следует отметить, что в этой точке, выступающая часть 510В эффективно подвержена влиянию атмосферы. [00116] На фиг. 6Н показана выступающая часть 510А, выходящая из области 521, принимающей выступающие части, с возможностью образования вновь рабочей камеры 610, и втягивания карбюрированного воздуха 569 в рабочую камеру 610. Следует отметить, что карбюратор 580 обеспечивает подачу карбюрированного воздуха 569 в обе рабочие камеры 610 и 620. Карбюратор 580 можно рассматривать как единственный источник топлива, выполненный с возможностью подачи топлива по меньшей мере в две из нескольких рабочих камер в двигателе 500. На этом этапе, рабочую камеру 610 можно считать "камерой всасывания". При этом в рабочей камере 620 будет достигнут максимальный объем расширения, а давление побочных продуктов горения в рабочей камере 620 будет равно давлению окружающей среды. Больший участок выступающей части 510В входит в область 523, при этом на него воздействует охлаждающий воздух 566. [00117] На фиг. 6I показано продолжение подачи карбюрированного воздуха 569 в рабочую камеру 610. Образование выхлопной камеры 621 обусловлено вхождением выступающей части 510А в область 522, принимающую выступающие части. По мере вращения ротора 510 по часовой стрелке происходит уменьшение объема рабочей камеры 621, приводящее к принудительной подаче побочных продуктов 568 горения в выхлопную камеру 570Е ротора. Участок выступающей части 510В все еще расположен в области 523 охлаждения и подвержен охлаждению воздухом 566. [00118] На фиг. 6J показано дальнейшее вращение ротора 510 по часовой стрелке, и, как правило, в этой точке, ротором выполнен поворот немногим более чем на 360 градусов относительно его местоположения, показанного на фиг. 6А. От этой точки, происходит повторение рассмотренного выше цикла, начиная с фиг. 6А. Участок выступающей части 510В все еще расположен в области 523 охлаждения и подвержен охлаждению воздухом 566. [00119] Следует отметить, тот факт, что, как было сказано выше, при описании двигателя 500 и его работы, выступающие части 510А и 510В ротора 510 циклически подвержены атмосферному воздействию. Например, в рассмотренных выше примерах осуществления изобретения, выступающие части 510А и 510В будут видны наблюдателю при прохождении через область 523 охлаждения. В этом состоит отличие от известных из уровня техники роторных двигателей, в которых ротор всегда герметично установлен в двигателе и никогда не подвержен атмосферному воздействию. Кроме того, возможно прохождение через ротор (т.е. выхлопную камеру 570Е ротора) только побочных продуктов 567 горения; прохождение свежей смеси воздуха или карбюрированного воздуха 569 через ротор 510 не осуществляется. [00120]
[00121] Третий вариант осуществления изобретения
[00122] На фиг. 9А схематично показан другой вариант осуществления роторного двигателя 900, который во многих отношениях аналогичен двигателю 500, изображенному на фиг. 5А. Двигатель 900 содержит приводной вал 950, ротор 910, вариант осуществления которого будет схематично показан далее на фиг. 9В и 9С, корпус 920, а также крышки 930 и 940.
[00123] Крышки 930 и 940 подобны рассмотренным выше крышкам 530 и 540, соответственно, за исключением того, что в крышках 930 и 940 выполнено несколько маленьких отверстий 931, 941, соответственно, обеспечивающих поток воздуха 966 через двигатель 900 в направлении, показанном сплошными и пунктирными линиями. Охлаждение ротора 910 воздухом 966, аналогично охлаждению рассмотренным выше потоком охлаждающего воздуха 566. Кроме того, в процессе горения в двигателе 900 может принимать участие часть или весь воздух 966.
[00124] Ротор 910 имеет всасывающее отверстие 915 ротора и выхлопное отверстие 915 ротора, которые служат тем же самым целям, что и отверстия 116 и 117 в рассмотренном выше двигателе 100, причем каждое отверстие обеспечивает только однонаправленный поток из ротора 910 или в него. Как схематично показано на фиг. 9А, ротор 910 также содержит окна или сквозные отверстия, выполненные в боковых крышках 930, 940. Инжектор 930 обеспечивает впрыск топлива после закрытия впускного канала (т.е. при давлении, равном или большем значения атмосферного давления в камере всасывания). Воздух или воздушно-топливная смесь поступает в одно или несколько отверстий 931 окна в передней крышке 930 (рядом с вентилятором 985), проходит через ротор 920 и частично заполняет "межроторное пространство" 570Е (т.е. пространство между выступами 571). Часть этой смеси будет подана через впускной канал 916, расположенный в роторе 910, в то время как вторая и, по всей вероятности, большая часть смеси проходит через ребристую конструкцию (например, через отверстия 570) ротора 910 и обратно через окно или окна 941 в задней крышке 940 (наиболее удаленной от вентилятора 985). Поскольку смесь содержит топливо в жидкой форме, она может служить превосходной охлаждающей средой, однако для предотвращения выброса топлива в окружающую среду, его необходимо восстановить (например, с помощью циклонного сепаратора, не показан) и вернуть в топливный бак. С другой стороны, при вытеснении части воздушно-топливной смеси из 941, она может быть возвращена обратно к входу 931 в цепи (не показано).
[00125] При наличии дополнительных отверстий 931, 941 на крышках 930, 940 ротора 910, только относительно малая часть воздушного потока 966 будет использована для образования топливно-воздушной смеси, что позволяет упростить механизм генерации топлива.
[00126] Выступы 571 обеспечивают жесткость конструкции ротора 910 и могут способствовать увеличению поверхности теплообмена с охлаждающим воздухом 966. Следует отметить, что выступы 571 могут иметь различную высоту (в осевом направлении). Например, два выступа (скажем, выступ, обозначенный 570Т на фиг. 9В), проходящие по всей ширине 911 ротора 910, образуют карман для выхлопных газов, или трубопровод 570Е, в то время как все другие более короткие выступы (например, выступ, обозначенный 570S на фиг. 9В) образуют большой карман всасывания (например, 570D на фиг. 9В) или канал 570 для охлаждающего воздуха (566; 966), поскольку топливо может огибать такие выступы 571S, оставаясь при этом между крышками 930 и 940.
[00127] На фиг. 9D схематично показан поток воздуха или комбинированный поток воздуха и топлива (для карбюрированного воздуха) двигателя 900. Подача воздуха 966 осуществляется через переднюю крышку 960. Крышка 960 (фиг. 9D) подобна передней крышке 930, но имеет только одно всасывающее отверстие 931, а задняя крышка 970 подобна крышке 940, но имеет только одно выхлопное отверстие 941. Приточный воздух 966, проходящий через ротор 910 (например, по трубопроводам 570), обеспечивает охлаждение ротора и покидает двигатель 900 через выходное отверстие 941. Часть приточного воздуха 966 может проходить через карман для выхлопных газов, или трубопровод 570Е, и смешиваться с побочными продуктами горения с образованием выхлопного газа 967 до выхода из двигателя 900 через выходное отверстие 941.
[00128] Всасывание воздуха в двигатель 900 для горения может быть осуществлено несколькими способами. В некоторых вариантах осуществления изобретения, приточный воздух поступает через отверстие 570D ротора 910 и через пластинчатый клапан 917 и впускной канал ротора 915 попадает в рабочую камеру. Подача топлива в рабочую камеру может быть обеспечена инжектором (например, инжектором 200, или 539А, или 539В) или с помощью карбюратора (например, карбюратора 580).
[00129] В других вариантах осуществления изобретения использован инжектор (например, 539А) выполненный с возможностью впрыскивания топлива в воздух 966 до его прохождения через отверстие 931. Часть топлива, впрыскиваемого в воздух 966, может перемещаться вместе с воздухом 966, по мере его прохождения через ротор и всасывающее отверстие 915 в рабочую камеру, а другая часть топлива проходит через корпус 930 и может регенерироваться из воздуха, например, с помощью циклонного сепаратора.
[00130] На фиг. 10 схематично показан другой вариант осуществления ротора 1010 и корпуса 1020. В этом варианте осуществления изобретения, ротор 1010 имеет 5 выступающих частей 1015, а в корпусе 1020 образованы 6 областей 1022, принимающих выступающие части. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения "N" равно 5, a "N+1" равно 6. Как было рассмотрено выше со ссылкой на фиг. 9A-9D, корпус 1020 также имеет две стороны 930 и 940.
[00131] В корпусе 1020 образованы несколько областей 1022, принимающих выступающие части, которые имеют клапанные блоки 1030 для всасывания воздуха и выхлопа побочных продуктов горения, или всасывания рабочих текучих сред(топлива или жидкостей) при низком давлении и выхлопа (или отведения) сжатых текучих сред. В области 1007 выполнен вырез, позволяющий схематично показать клапанные блоки 1030. Таким образом, эти области 1022, принимающие выступающие части, образуют рабочие камеры 1025 с выступающими частями.
[00132] Корпус 1020 также имеет две области 1022, принимающие выступающие части, которые образуют камеры 1023 охлаждения. Эти области 1022, принимающие выступающие части, не образуют рабочих камер с выступающими частями. Как было рассмотрено в отношении других вариантов осуществления изобретения, эти области 1022, принимающие выступающие части, обеспечивают поток охлаждающего воздуха через корпус 1020 и через выступающие части, и/или через отверстия 1070 в выступающих частях.
[00133] Корпус 1020 также имеет одну область 1022, принимающую выступающие части, образующую совместно с выступающими частями 1015 и сторонами (например, 930, 940) корпуса 1020, рабочую камеру 1040 воздушного компрессора. Стороны 930, 940 не имеют отверстий, расположенных рядом с областями 1022, принимающими выступающие части, образующими рабочую камеру 1040 воздушного компрессора. Для этого, корпус 1020 снабжен трубопроводами 1041 воздушного компрессора, сообщающимися по текучей среде с рабочей камерой 1040 воздушного компрессора, и обеспечивающими подачу и отведение воздуха из рабочей камеры 1040 воздушного компрессора.
[00134] Корпус 1020 также имеет одну область 1022, принимающую выступающие части, образующую совместно с выступающими частями 1015 и сторонами (например, 930, 940) корпуса 1020, рабочую камеру 1050 водяного насоса. Стороны 930, 940 не имеют отверстий, расположенных рядом с областями 1022, принимающими выступающие части, образующими рабочую камеру 1050 водяного насоса. Для этого, корпус 1020 содержит трубопроводы для подачи воды (подобные трубопроводам 1041 компрессора, но не показанные на фиг. 10), сообщающиеся по текучей среде с рабочей камерой 1050 водяного насоса и обеспечивающими подачу и отвод воды из рабочей камеры водяного насоса 1050.
[00135] Таким образом, этот вариант осуществления изобретения раскрывает конструкцию корпуса 1020 в отношении ротора 1010, позволяющую создать по меньшей мере одну рабочую камеру, предназначенную исключительно для охлаждения ротора; по меньшей мере одну рабочую камеру, предназначенную исключительно для сжатия (воздуха), и по меньшей мере одну рабочую камеру, предназначенную исключительно для прокачивания (жидкости). Такой вариант осуществления изобретения может иметь одну или более таких функциональных рабочих камер (например, камеру охлаждения, рабочую камеру насоса, камеру сжатия), и не требует наличия всех таких камер. Действительно, некоторые варианты осуществления изобретения могут иметь любую комбинацию рассмотренных выше камер.
[00136] В любом рассмотренном выше варианте осуществления изобретения, двигатель (например, 100, 500, 900) может быть выполнен таким образом, что суммарный объем всех рабочих камер, выполненных с возможностью последовательного выполнения фаз всасывания, сжатия, сгорания, расширения и выхлопа, составляет менее 500 куб. см.
[00137] Рассмотренные варианты осуществления изобретения носят исключительно иллюстративный характер и специалистам в данной области очевидна возможность внесения многочисленных изменений и модификаций. Все такие модификации и изменения должны быть выполнены в пределах объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. Двигатель содержит воздушный канал, выполненный с возможностью обеспечения потока холодного воздуха через ротор по мере движения ротора относительно корпуса внутри двигателя. Двигатель может содержать сменный топливный картридж. Изобретение направлено на создание компактного, легкого, бесшумного двигателя с оптимальным расходом топлива, простого и дешевого в изготовлении. 14 з.п. ф-лы, 47 ил., 2 табл.
